电子尺度的偶极化锋面动力学

Dipolarization front (DF)—a transient structure embedded in bursty bulk flows in the plasma sheet—is characterized by the abrupt increase of the south-north component of the magnetic field in the Earth’s magnetotail. It has been widely accepted that DF is closely related to many important phenomena in the magnetosphere, such as substorm, magnetosphere-ionosphere coupling, and particle acceleration. Understanding the DF dynamics is one of the most important topics in the magnetospheric physics. Due to the large spacecraft separation and low time resolution of measurements, previous spacecraft missions could only resolve the DF dynamics at ion scale, leaving the DF dynamics at electron scale as an open issue so far. The MMS mission, launched in March 2015, has a small separation (down to 10 km, close to electron inertial length) and provides highly improved measurements at unprecedented temporal resolution, thus allowing for detailed investigation of DF dynamics at electron scale for the first time. In this project, we will use the MMS measurements to study the electron-scale dynamics of DF, particularly focusing on current system, electric structure, energy dissipation, electron acceleration, and wave-particle interaction at the DF. By analyzing the MMS data, we expect to better and fully understand the DF dynamics, and thus provide crucial information for the DF-associated phenomena (e.g., aurora, substorm, particle injection, etc.) in the magnetosphere.

偶极化锋面是磁尾等离子体片中的一种瞬态结构，其主要特征为磁场南北分量的突然增强和流速的增加。它与地球磁层中诸多物理现象密切相关(如亚暴、磁层-电离层耦合、粒子加速等)。因此对偶极化锋面的研究是磁层物理领域的一个重要课题。由于以往的卫星间距较大以及数据的时间精度不高，对偶极化锋面的研究都集中在离子尺度，导致电子尺度的锋面动力学至今尚不知晓。于2015年3月发射的MMS卫星不仅具有非常小的间距(最小约10km)，而且提供了高精度的电磁场和粒子数据，从而为研究电子尺度的偶极化锋面动力学提供了条件。本项目拟用MMS数据来研究电子尺度的偶极化锋面动力学，我们将重点分析锋面处电子尺度的电流体系、电场结构、能量耗散、电子加速以及波粒相互作用。通过对MMS数据的分析，我们希望能更全面更深刻地理解偶极化锋面动力学，从而为理解磁层中与偶极化锋面相关的重要物理现象(如极光、亚暴以及高能粒子注入等)提供关键信息。

偶极化锋面是磁尾等离子体片中的一种瞬态结构，其主要特征为磁场南北分量的突然增强和流速的增加。它与地球磁层中诸多物理现象密切相关，因此对偶极化锋面的研究是磁层物理领域的一个重要课题。本项目基于MMS卫星的高精度数据，并结合Cluster、PSP、MAVEN等卫星的观测数据，系统研究了电子尺度的偶极化锋面动力学，取得了如下创新性成果：首次测量到了反向偶极化锋面的电子尺度结构、首次测量到了偶极化锋面后静电孤立波的内部结构、发现了偶极化锋面后的宽频静电波、发现了偶极化锋面后的相互嵌套的磁绳结构、发现了偶极化锋面对电子的超高效加速、发现了偶极化锋面后的冷离子并解释了其来源、发现了偶极化锋面后的电子磁镜模不稳定性、发现了超级冷而且稠密的偶极化锋面、发现了偶极化锋面所驱动的跨尺度动力学过程、发现了尾向偶极化锋面附近的高能电子加速、提出了偶极化锋面加速高能电子的新机制、提出了偶极化锋面附近异常哨声波的产生机制、提供了偶极化锋面激发交换不稳定性的直接证据、揭示了偶极化锋面后电子擀面杖分布的能量范围、揭示了偶极化锋面后电子擀面杖分布的形成机制、揭示了偶极化锋面上的能通量密度、揭示了偶极化锋面附近的电子涡度、揭示了偶极化锋面后高速流反转所引起的电子加热和静电湍动过程、揭示了尾向偶极化锋面所引起的能量耗散过程、获得了偶极化锋面后电子投掷角的统计特征。这些成果显著提升了我们对电子尺度的偶极化锋面动力学的认识，尤其是升华了我们对偶极化锋面处电子尺度的电流体系、电场结构、能量耗散、电子加速以及波粒相互作用过程的认知，为空间天气预报和空间环境建模提供了关键信息。在项目经费的资助下，本项目共发表了44篇SCI论文，其中包括16篇GRL、1篇PRL、6篇JGR、11篇APJ、5篇APJL、2篇APJS、1篇SCES。部分论文被遴选为GRL封面论文、ESI高被引论文、美国天文学会高被引论文、中国科学热点论文等。