极区空间场向电流分布、变化和扰动及其物理机制研究

The field-aligned currents (FACs) play an important role in magnetosphere-ionosphere (M-I) coupling. The polar space is important for the M-I coupling. However, the FAC distribution, disturbances and the dynamic processes of the concerned charged particles in the polar space are still not clear. This project will use data from Cluster long-term observation, from SWARM and other satellites, as well as from ground-based instruments, by means of statistics, modeling and theory analysis, to study on the FAC distribution, variation and disturbance features in the FAC regions I, II and III in the polar space; to study on dynamical processes of the concerned charged particles, to study on changed particles role to the FAC formation; as well as the concerning physics mechanism, to understand the roles of the FACs in the M-I coupling. The innovations of this project are as to study on the FAC distribution and disturbances in current region I, II and III with different geomagnetic activities, and to study on the different energetic ions, from different regions (solar wind, ionosphere and magnetotail), contribution to the FACs. The results in this project could be important to further studying on the Sun-Earth space weather chain, and also important to the space weather forecasting models.

场向电流在磁层-电离层耦合过程中起着非常重要的作用。极区空间是电离层-磁层耦合的重要区域，其中的场向电流分布、扰动变化及相应的带电粒子动力学过程还不清楚。本项目拟根据Cluster卫星长期探测数据，结合SWARM和其他卫星以及地基仪器探测数据，采用数据分析、理论分析和模拟计算相结合的方法，研究地球极区空间不同区域（I、II和III区）中不同流向场向电流的分布、变化和扰动特性，研究与其相应的带电粒子动力学过程，研究各区域带电粒子对场向电流分布变化和扰动形成的作用及其物理机制，以理解极区空间场向电流在电离层-磁层耦合过程中的作用。本项目的创新点在于研究不同地磁活动水平期间极区（I、II和III）场向电流的分布及扰动变化特性，研究来自不同区域（太阳风、电离层和磁尾）不同能段的离子对场向电流的作用。这对于研究日地空间天气因果链关系具有重要的科学意义，对于空间天气预报模型建立也具有重要的应用价值。

场向电流在磁层-电离层耦合过程中起着非常重要的作用。极区空间是电离层-磁层耦合的重要区域，其中的场向电流分布、扰动变化及其相应的带电粒子动力学过程还不清楚。本项目根据Cluster卫星的长期探测数据，结合其他卫星以及地基探测数据，采用数据分析、理论分析和模拟计算相结合的方法，研究了极区空间不同区域中场向电流的分布、变化和扰动特性，研究了与之对应的磁层-电离层系统大尺度场向电流的有关特性，研究了与其相应的带电粒子动力学过程，研究了极区带电粒子的源区之一--电离层的扰动和变化，研究了各区域带电粒子对场向电流分布变化和扰动形成的作用及其物理机制，理解了极区空间场向电流在电离层-磁层耦合过程中的作用。本项目的创新点在于研究不同地磁活动水平期间极区场向电流的分布及扰动变化特性，研究来自不同区域（太阳风、电离层和磁尾）不同能段的带电粒子对场向电流的贡献作用作用。取得的主要创新成果在于：（1）电离层-磁层耦合系统大尺度场向电流在极区的分布特性，带电粒子对场向电流的作用及其对太阳风和地磁活动的响应特性，发现行星际条件和太阳风动压对于极区场向电流具有重要的影响，辐射带高能带电粒子衰减具有两步过程及其在极区的沉降特性；（2）极区（来自电离层和太阳风的）带电粒子分布与传输特性，发现场向电子在极区主要沿极光带分布，在南北半球具有明显的不对称性；（3）离子对场向电流具有不可忽略的贡献作用，特别是在亚暴期间离子对场向电流的贡献与电子同一量级；（4）结合极区电子分布非线性结构观测结果，建立了非线性物理模型，研究了空间等离子体中的非线性结构；（5）电离层区带电离粒子的扰动与变化特性，电离层不规则体形成机制及其效应，特别是发现低纬地区带电粒子向上传输的现象。这对于研究极区空间粒子来源至关重要。本项目研究对于进一步研究日地空间天气因果链关系具有重要的科学意义，对于空间天气预报模型建立也具有重要的应用价值。