磁层非线性剪切阿尔芬波和电离层反馈的电动耦合数值模拟研究

太阳风与磁层相互作用产生的场向电流将能量传输到极光电离层，再经焦耳加热和电子沉降耗散掉。磁层和电离层的这种动力学相互作用在极光的产生和极区电离层中的等离子体对流等现象中起着至关重要的作用。因此，以自洽方式认识整个磁层-电离层耦合，是最终要解决的关键。本项目将针对目前磁层-电离层电动耦合模型的不自洽，建立一套自洽的、含时变极光密度扰动的磁层非线性、色散剪切阿尔芬波磁层-电离层耦合模型。模型将首次计入共振阿尔芬波加热带来的电离效应，采用Friman-Lemaire理论[Fridman and Lemaire, 1980]计算沉降粒子通量和能量，电离层电导率将作为电离层电离模型和磁层波模型电动耦合的一个动力学参数来处理。在此基础上，分析电子粘性、离子热压力以及Lamor修正等不同色散作用所产生的物理影响以及他们在极光形成中的作用，并模拟观测到的极光场线共振事件，自洽、合理地解释极光弧的成因。

磁层-电离层耦合是日地关系链中的重要一环，特别是太阳风与磁层相互作用产生的场向电流将能量传输到极光电离层，再经焦耳加热和电子沉降耗散掉。磁层和电离层这种动力相互作用对于许多现象来说都是很重要的，例如极光的产生和极区电离层中的等离子体对流。本项目主要研究了磁层-电离层电动耦合及其相关的物理过程，包括太阳风能量向磁层的输运、磁层阿尔芬波场线共振在极光产生中的作用、电离层对磁层的反馈等，主要成果如下：..1. 针对目前磁层-电离层电动耦合模型的不自洽，建立了一套自洽的、含时变极光密度扰动的磁层非线性、色散剪切阿尔芬波磁层-电离层耦合模型,分析了电子粘性、离子热压力以及Lamor修正等色散作用所产生的物理影响以及它们在极光形成中的作用；.2. 研究了太阳风动压和行星际磁场对极光活动的影响，特别是发现向阳侧极光增亮需要太阳风密度和速度同时增大，只有密度引起的动压增强不能产生向阳侧极光增亮；晨侧、日侧和昏侧极光亮度受Bx、By分量的影响更明显,夜侧极光主要受IMF Bz影响，并且在南向IMF条件下，|Bz|越大，夜侧极光就越亮;.3. 研究了太阳风能量向磁层的输运以及与磁层位形的关系，构建了基于太阳风条件、行星际磁场分量、磁倾角等参数的三维弓激波位形和磁层顶位形模型，分析了太阳风能量向磁层注入的物理机制和过程,发现北向IMF时磁场重联率大约是南向的20%；IMF BZ主要影响磁层顶形状，对磁层顶大小影响不大；太阳风动压PD主要影响磁层顶日下点距离而对磁层顶形状影响不大。还发现磁倾角基本不影响赤道面磁层顶，主要影响磁层顶南北不对称性和旋转不对称性以及极尖区的位形。BY影响磁层顶旋转不对称性，发现磁层顶的拉伸方向与行星际磁场的方向一致， IMF增大时磁层顶拉伸程度也增大；.4. 研究了动力阿尔芬波的相互作用及其在空间物理特别是在极光产生中的应用，提出一个非线性动力阿尔芬波产生和耦合的新机制，特别是发现一个剪切阿尔芬波可以与一个反向传播的动力阿尔芬波相互作用，产生另一个动力阿尔芬波。大尺度剪切阿尔芬波的能量可以转换给小尺度动力阿尔芬波耗散掉。这一机制有重要含义：可以直接将剪切阿尔芬波的能量从大尺度到小尺度。..基金资助发表论文27篇，其中SCI论文22篇。此外另有2篇SCI论文在审稿中，培养研究生16名，与加拿大艾伯塔大学和美国阿拉巴马大学建立长期合作关系，完成基金任务和目标。