磁暴期间环电流离子成分变化的来源研究

The ion composition in the ring current will change remarkably during the magnetic storm. The oxygen ions contribution to the ring current relative to the protons will increase during magnetic storms. Studies have shown that the several mechanisms such as the non-adiabatic acceleration, the wave-particle interaction, and the ionospheric ion outflow can account for the ion composition variation in the ring current during the magnetic storm. However, which mechanism is more important, the exact region where the variation is happened is still under debate.. In this project, joint observations from Van Allen Probes in the inner magnetosphere, MMS and Cluster in the near-Earth plasma sheet will be used to study the how the ion composition variation happen. By comparing the difference of the acceleration processes in the inner magnetosphere and the near-Earth plasma sheet, we try to investigate the contribution of different acceleration mechanism to the increase of the O+/H+ energy density ratio. This project will help us to understand the injection processes of different ions and the role of the oxygen ions in the ring current formation and also provide the important information for the storm-substorm relationship.

环电流离子组成成分在磁暴期间会发生显著变化，主要表现为氧离子对环电流的贡献相对于氢离子显著增强。已有的研究表明：两种离子在非绝热加速，波粒相互作用，电离层离子上行等物理过程中的差异均能够使离子成分发生变化，然而，变化发生的区域（环电流局地发生还是磁尾等离子体片区域形成然后注入至环电流区域）目前存在较大争议，何种机制占主要贡献仍然有待进一步研究。. 本项目拟利用Van Allen Probes卫星在内磁层和Cluster，MMS卫星在近磁尾等离子体片的联合观测，通过个例、统计及理论分析，深入研究磁暴期间环电流离子成分变化的根本成因，重点研究磁暴演化过程中两种离子在磁尾等离子体片及内磁层区域加速过程的异同，以及对环电流离子成分变化的贡献大小。项目的实施将有利于进一步理解磁尾等离子体片中不同离子向内磁层的注入机制以及氧离子在环电流形成过程中的作用，为揭示磁暴与亚暴的关系提供重要的参考信息。

利用2013-2016年Van Allen Probes 离子观测数据，研究了环电流离子的电荷交换损失贡献的空间分布及其对环电流离子成分变化的影响。研究结果显示：1）电荷交换损失贡献的空间分布对MLT和L均具有明显的依赖性。H+和O+的电荷交换损失贡献在整个恢复相阶段都表现出明显的日-夜不对称性（夜侧的电荷交换损失贡献更大）。在恢复相初期，H+的平均电荷交换损失贡献在L<3.75的区域内随L快速上升，然后随L轻微涨落；而O+的平均损失贡献随L的增加单调递减；在恢复相后期，H+的平均损失贡献随L单调递增，而O+的平均损失贡献几乎不依赖于L，但在L=4.25-4.5处存在一个微弱的极小值。2）在因电荷交换造成的能量损失过程中，H+的贡献比O+的贡献更大。.除此之外，我们对可能控制电荷交换损失贡献空间分布的不均匀性的相关因素进行了分析。结论如下：1）地冕中性氢密度分布中存在的日-夜不对称性是导致电荷交换损失贡献的空间分布呈日-夜不对称性的最可能解释；2）在恢复相初期，H+的电荷交换损失贡献与电荷交换作用截面和离子积分通量都具有较高的相关性；而在恢复相后期，H+的损失贡献仅与电荷交换作用截面具有显著的相关性；3）在恢复相初期，O+的损失贡献仅与离子积分通量具有显著的相关性；而在恢复相后期，O+的损失贡献与电荷交换作用截面和离子积分通量都具有相关性，其中与离子积分通量的相关性更显著。