大磁暴中环电流离子成分的变化及其与磁暴演化的关系

利用CRRES/MICS的观测数据，研究了磁暴期间内磁层离子成分的变化.对1991年两个典型磁暴和12个大磁暴的分析表明，组成暴时环电流的离子可以分成两组，一组由O⁺、低能H⁺和He⁺组成，起源于电离层(IOP)；另一组为高能H⁺和He⁺⁺，主要来自太阳风(SOP).宁静时环电流主要成分为SOP，大磁暴主相极大时环电流的主要成分是IOP.大磁暴期间离子可被注入到很低的高度(L=3-4).IOP对环电流的贡献随磁暴强度增大而增加，在大磁暴主相极大时可达80%(数密度).IOP中O⁺的快速增减是导致Dst指数在磁暴主相期间快速下降和恢复相中快速增长的主要原因.小磁暴中(D_st＞-50nT)O⁺对环电流的贡献可以忽略不计.     

地磁活动与太阳活动对环电流离子成分与位置的影响

根据CRRES卫星上MICS离子成分探测器的观测资料以及前人有关AMPTE卫星的观测数据，研究了地磁活动和太阳活动性对环电流成分以及各种环电流离子的最大通量位置的影响. 观测表明相对于地磁平静时期，在地磁活动的活跃时期，环电流中O+、He++和He+离子的数密度和能量密度占环电流总数密度和总能量密度的份额增加，相反H+离子所占的比例却明显减少. 太阳活动极大年时环电流中H+离子丰度比极小年时低，而O+和He++离子的丰度却比太阳活动极小年时高. 卫星数据观测还表明，在地球磁暴期间，环电流中O+离子和He+离子的最大通量位置会随着地磁的活动径向移动，平均来看太阳活动极大年的能量粒子最大数密度位置距离地球比极小年时约小0.5RE （RE 为地球半径）.     

基于中性原子通量数据的磁暴期间环电流研究

本文通过分析两次大磁暴期间的中性原子(ENA)通量数据,试图揭示环电流离子通量的变化规律,进一步探讨环电流的形成和损失机制,以及磁暴和亚暴的关系.两次磁暴期间ENA通量的变化呈现出一些重要的特征:(1)通量随能量的增高而快速降低,磁暴主相期间高能端通量所占比重增大;(2)通量比例曲线的起伏远比通量曲线的起伏要平缓;(3)通量的起伏与AE指数之间没有简单的对应关系;(4)磁暴恢复相开始前,ENA通量出现短时间的猛烈增长,特别是低能端通量的增长异常迅速;(5)Dst/SYM-H指数快速恢复期间,ENA通量的变化表现为两个完全不同的阶段:先降低,后增大.忽略影响ENA通量的其他次要因素,ENA通量的上述特征直接反映了环电流的发展规律.环电流离子通量随能量的增高快速下降,磁暴主相期间可能由于高能O⁺的增加使得能谱有所变硬.离子主要受南向行星际磁场(IMF)所引起的对流电场的驱动注入到环电流区域,通量的变化大体上是无色散的.亚暴活动与环电流的增长没有直接的因果关系,但亚暴活动会引起环电流离子通量的短时间尺度波动.恢复相开始前,环电流离子在昏侧区域发生堆积,使得局部离子通量变大.这可能是由于屏蔽电场的形成削弱了内磁层对流电场,造成离子在磁层顶的逃逸损失过程减弱.在Dst/SYM-H指数的快速恢复期间,环电流离子通量的衰减速度也可能发生阶段性变化.这说明Dst/SYM-H指数并不能准确反映环电流的强度,环电流的衰减过程可能具有比先快后慢更为复杂的阶段性模式.     

基于地磁台站数据对磁暴期间环电流和场向电流的分布特征研究

磁暴的发生与环电流的变化密切相关.除了对称环电流外,部分环电流在磁暴的发展过程中也起到了重要的作用,同时部分环电流通过场向电流与极区电离层中的电流形成回路.本文应用INTERMAGNET地磁台网北半球中低纬区域地磁台站数据,对不同强度4个磁暴事件主相和恢复相期间部分环电流和场向电流的磁地方时分布进行了分析和讨论.对于每一个磁暴事件,在低纬地区（地磁纬度约0°—40°N）选用地磁经度上大致均匀的8个台站,通过坐标转换计算平行于磁偶极轴的地磁场水平分量H来分析磁暴期间环电流所引起的磁场扰动;在低纬地区8个台站的基础上增加中纬地区（地磁纬度约40°N—60°N）地磁经度上大致均匀的6个台站,计算地磁坐标系下地磁场东西分量Y来分析磁暴期间场向电流在中低纬地区引起的磁场扰动.结果表明,磁暴主相期间的部分环电流主要作用于磁地方时昏侧和夜侧扇区,并且主相和恢复相期间部分环电流引起的磁场变化随着磁暴级别的增大而增大;磁暴主相期间向下的场向电流多出现在夜侧至晨侧扇区,向上的场向电流多出现在昏侧至午后扇区,且中纬地区向下和向上场向电流的展布范围明显大于低纬地区;恢复相期间弱、中磁暴事件的场向电流呈现与部分环电流相同的减弱趋势,而强、大磁暴事件在恢复相末期场向电流引起的磁场变化明显不同于恢复相的其他时刻,这可能与高纬较强的亚暴活动有关.     

用中低纬度变化磁场监测磁层环电流强度

本文选择北京地磁台和广州地磁台水平分量时均值的资料,采用Hibberd方法,分析研究了环电流对地磁场夜间值变化的影响,提出一种近似估计环电流强度的简便方法,这种方法可用于及时监测环电流强度的变化,为短期磁暴预报提供有用的资料和途径。     

波粒相互作用导致环电流质子沉降的卫星共轭观测

波粒相互作用是环电流损失的重要机制之一,但波粒相互作用导致的环电流离子沉降而损失迄今为止缺乏直接的观测证据.基于磁层及电离层卫星的协同观测,本文报道了发生在2015年9月7日,由电磁离子回旋波(EMIC波)导致环电流质子沉降的共轭观测事件.在等离子体层的内边界,Van Allen Probe B卫星观测到,存在EMIC波的区域和不存在EMIC波的区域相比,离子通量的投掷角分布的各向异性变弱.我们将Van Allen Probe B卫星沿着磁力线投影到电离层高度,同时在该投影区域内DMSP 16卫星在亚极光区域观测到环电流质子沉降.而且,通过从理论上计算质子弹跳平均扩散系数,我们进一步证实观测的EMIC波确实能将环电流质子散射到损失锥中.本文的研究工作为EMIC波导致环电流质子沉降提供了直接的观测证据,揭示了环电流衰减的重要物理机制:EMIC波将环电流质子散射到损失锥中,从而沉降到低高度大气层中而损失.     

伴随着高速流的磁尾电流片拍动观测研究

磁尾电流片在磁尾动力学过程中起着重要作用.卫星观测表明磁尾电流片经常处于拍动状态.但磁尾电流片拍动的特性和产生机制至今仍然没有被完全弄清楚.本文主要利用欧洲空间局Cluster卫星数据,研究一个伴随高速离子流的电流片拍动事件.该电流片拍动事件具有很强的周期性.拍动的周期约是2min,磁场振荡幅度约为20nT.能量电子和离子的通量具有周期性增强和减弱的特征.电流密度X和Y分量也具有周期性的振荡,并且振荡周期与磁场振荡周期一致.通过对粒子流速矢量与电流矢量的分析,发现粒子运动具有涡旋的特征.因此可以推断,该磁尾电流片的拍动不是由磁尾等离子体片高速流产生的,而是与局地等离子体不稳定性有关.     

内磁层电流体系的地磁效应

对Ⅱ区场向电流及其伴随的部分环电流和电离层电流组成的内磁层三维电流体系（PRFI电流系）的磁场效应进行了数值计算.这一三维电流体系在中低纬度地面产生的磁场呈现出特殊的纬度分布:X分量几乎不随纬度变化,Y分量随纬度增高近似呈线性变化.这些特征明显不同于对称环电流的磁场分布特征（X∝ cosφ,φ是纬度,Y=0）,也不同于DP2、S_q、L等电流体系的磁场分布特征.利用这一特征我们可以从地磁台子午链观测到的磁场扰动中分离出PRFI电流系的贡献.用1989年3月磁暴的实例检验了上述模型,观测结果与理论结果符合得很好.分析结果还表明,最大的D_st指数并不一定对应着最强的对称环电流.     

环电流区中性原子观测特性模拟研究

为了给双星计划中性原子(ENA)探测仪的研制提供可靠 的理论依据，并为未来中性原子探测数据的分析及研究做好准备，针对双星轨道初步模拟计 算了双星ENA探测仪对磁暴时中性原子的观测特性. 建立了磁暴主相期间环电流离子分布的 一 个近似理论模式，并模拟计算了极轨卫星在极区上空、赤道面以及其他位置上对不同强度磁 暴主相期间环电流区ENA空间角分布及能谱的观测结果. 研究表明，存在环电流区方向和南 北极区环电流粒子沉降带两个中性原子强度极大区域；磁暴越强烈，注入区高度越低，环电 流区观测到的ENA通量越高；处于有利位置的ENA探测器可分辨注入区内边界或注入前沿；EN A探测器能够分辨环电流带离子分布的不均匀性；由于离子交换截面的差异，H，O，He 3种E NA的能谱分布不同；在10～80keV能谱范围内通量较强，易于观测；环电流区H，O两种ENA 通 量较强，有利于观测；而环电流区He ENA通量很弱，不易于观测. 模拟计算研究表明，双星 极轨卫星能够对环电流区ENA进行有效探测；低纬轨道上的ENA探测器也能够对环电流区ENA 进行一些观测；ENA探测器的研制应重视低、中能量范围ENA的探测.     

2004年11月磁暴期间环电流的演化过程——TC-2卫星中性原子成像仪观测结果

本文通过对TC-2卫星上搭载的中性原子成像仪(NUADU)在2004年11月发生的一次大磁暴期间观测到的一系列中性原子(ENA)图像的分析,试图给出环电流在磁暴期间的演化模式.研究表明,南向的行星际磁场(IMF)分量在离子从磁尾向内磁层注入和随后的环电流增长过程中起着关键的作用.IMF转为北向后,离子注入随即很快停止.在离子注入增强期间,离子的漂移路径是开放的,以致大量环电流离子从黄昏侧注入后快速地损失在黄昏至正午的磁层顶.所以,环电流往往在离子漂移路径从开放变为封闭后才达到最大强度,而不是在这之前,尽管那时的离子注入强度更大.在该磁暴主相期间,离子注入发生在17∶00~22∶00 LT范围内,形成极其不对称的环电流分布形态.而在恢复相期间,由于受大的IMF B_y分量的影响,离子注入区的地方时分布范围东向扩张.对称环电流在磁尾对流减小、离子漂移路径变为封闭形态之后形成.在磁暴恢复相后期,从ENA图像看环电流基本衰减到平静时期的水平,而Dst指数仍然显示较强的磁扰动,这说明越尾电流对Dst指数有很重要的影响.