利用中性原子成像研究地球环电流离子分布及动态演化

Energetic netural atom (ENA) imaging is a developing effecient technique to monitor global physical process of the ring current ions. Currently, most ENA inversion methods adopt a technological ring current model, rather than using a physical model. Such an inversion can not catch physical processes that ring current ions undergo. Even though inversion errors are small enough, large discrepancy can exist between model result and reality. This research will study dynamics of ring current ions during magnetic strorms based on imaging data collected by TC-2 of Double Star, explore ENA inversion method in conjunction with a physical ion model. Three approachs will be adopted to analyze data of mainly TC-2: direct analyzing of ENA images, analysis of ENA characteristic flux, and ENA simulation. Study will focus on the dependence of ring current ion distribution on ion distribution of the plasmasheet, location and drift path characteristics of ions under different magnetophere electric field conditions, and contribution of charge exchange process to loss of ring current ions. Study results will help to understand the relationship between storm and sub-storm, add clarification to the topic of 'first rapid then slow' recovery characteristic of storms.

中性原子成像技术是正在发展的探测环电流全局过程非常有效的手段。目前中性原子数据反演方法采用的环电流模型一般可归结为技术模型，没有对应的物理模型。这样的反演不能反映环电流离子真实的物理过程，即使误差满足要求，结果也可能与真实的离子分布不符。本项研究将利用TC-2卫星获取的大量中性原子成像数据对磁暴环电流的动态演化开展研究，探索与环电流离子物理模型相结合的中性原子成数据反演方法，进一步分析环电流的物理机制。研究将采用中性原子图像直接分析、中性原子特征通量分析以及中性原子成像模拟等3种方式循序渐进地开展对TC-2卫星数据的分析。重点研究等粒子片离子分布对环电流离子分布的影响，离子在不同的磁层电场分布和变化模式下的注入位置、漂移路径等动态分布特性，以及电荷交换反应在环电流损失过程中的作用。本研究有助于对磁暴和亚暴关系的理解，为磁暴先快后慢的恢复特性提供合理的解释或为现有的解释提供新的证据。

中性原子成像是探测环电流全局过程非常有效的手段。本项目的目的是要利用中性原子成像模拟和反演的方法，对磁暴期间环电流的演化规律开展研究，了解环电流的形成和损失机制。课题建立了环电流模拟和ENA反演所需的各类参数化模型。并以此为基础，依据刘维尔定理，采取反向跟踪的方法模拟环电流离子通量分布，进而模拟ENA图像，模拟结果与观测图像符合较好，表明大尺度对流电场在环电流离子的注入过程中起主导作用。研究了包括约束最小二乘法在内的多种ENA图像反演方法，并且编制了相应软件系统。但反演结果在数值震荡和反演误差之间难以折中，其可信度没得到验证，导致下一步分析工作无法进行。课题在环电流的地磁扰动方面开展研究，利用梯度方法计算得到的Asy-H、Sym-H指数与通用方法所得到的指数符合得非常好。研究也发现地磁扰动所表现的换电流存在向东的漂移，这还需要进一步深入分析予以确定。课题也利用THEMIS的磁场探测数据，分析了环电流的空间分布。统计结果显示了环电流在磁地方时方向的非对称分布。在环电流的内侧，电流方向为东向，东西向电流同时共存。总体来说，研究没有完全按照计划开展，也未完全达到预期目标。