基于多点卫星数据分析的磁尾磁场重联相关关键磁结构研究

Magnetic reconnection produces the distinct magnetic structures，such as diffusion region and plasmoids, which contain abundant and complicated physical process of plasma. Reconnection -related magnetic structures are closely associated with the drive of magnetic reconnection、the kinetics of particles in reconnection and magnetospheric substorm. Now many questions about this topic are still open. In this project，through the conjunctional observations from space-based satellites and ground-based equipment, we will study the spatial characteristics of the topology (the distribution of magnetic gradient and magnetic curvature, the spatial variation of curvature radius, etc) of magnetic fields in diffusion region and the related behavior of particles; systematically investigate the intrinsic characteristics of plasmoids and the relationship between plasmoids and magnetic reconnection 、subtorm 、 the energy transport and mass loss in magnetosphere. This study will help to uncover the effect of reconnection-resulted structures on the drive of magnetic reconnection and the kinetics of particles. Also the understanding of the role of plasmoids in the study of magnetic reconnection、substorm and the energy transport and mass loss in magnetosphere will be broaden and deepen. This project can provide the support to furthur understand the global dynamics of magnetotail from the observation.

磁尾磁场重联触发产生扩散区和等离子体团等独特磁结构，这些结构因其特殊磁场拓扑位形包含丰富且复杂的等离子体物理过程，与磁场重联的驱动、重联中的粒子动力学和磁层亚暴等关键磁层过程有密切关系，目前对这些结构的研究中还存在很多问题。本项目拟通过多卫星磁尾观测结合极区地基雷达观测和成像观测，研究无碰撞磁场重联扩散区的磁场拓扑位形和空间分布特性（包括梯度分布，磁场曲率分布，曲率半径变化等）以及相关粒子动力学行为；系统研究等离子体团的自身特性以及它与磁场重联、磁层亚暴和磁层物质能量输运与损失过程的关系。通过本项目的研究，揭示这些磁结构对于磁场重联驱动过程和粒子动力学的影响, 加深对等离子体团在重联研究中的作用和与磁层亚暴关系的理解，明确等离子体团在磁层物质能量输运和损失中的作用，为深入理解磁尾动力学过程提供观测和理论基础。

磁场重联是将磁能转化为等离子体动能和热能的重要物理过程，重联扩散区是磁场重联触发和驱动的源区，而等离子体团是磁场重联的产物，研究这些磁结构动力学对于深入理解磁场重联过程和磁尾动力学过程具有重要意义。项目开展磁场重联扩散区磁场拓扑位形的空间特征以及对粒子动力学的作用、磁尾等离子体团触发机制以及对磁层动力学的影响、非对称条件对磁场重联Hall 效应的调制肌理等三方面研究。. 通过该项目的研究取得以下重要成果：第一从观测角度证实了粒子投掷角的曲率散射理论，发现曲率散射提供了重联高能电子加速的全新途径；第二首次定量证明了Hall效应，发现扩散区外完备的Hall系统，提出了Hall 效应可能具有更大空间尺度的全球效应的观点；第三揭示了磁场重联—等离子体团—电流片拍动—地磁扰动的磁尾动力学事件因果链，是磁尾动力学过程的一种新现象，提供了一种关于磁尾小尺度物理过程触发较大尺度物理过程的新的解释；第四首次较为全面的揭示了非对称重联特性，为深入理解非对称重联如何发生和非对称重联理论的完善提供了观测依据；第五发现了非对称重联的反常Hall效应，反常Hall效应不同于过去的所有观测与模拟结果，能够磁场重联提供引导场，从而改变磁场重联的性质；第六通过对多个卫星项目观测数据的普查，建立了包含1356个磁场重联事件的数据库为开展进一步研究工作打下了基础。通过本项目的深入研究，研究成果为磁层空间等离子体磁场重联动力学机制及其空间天气学效应的理解，为揭示重联的空间结构、重联效率以及其在磁层空间天气过程中的作用奠定了观测基础。. 本项目相关研究结果截至目前发表文章3篇，都发表于国际主流期刊，均为本项目第一标注。