电离层上行氧离子的加速及与磁重联的关系

It has been shown by many observations that there are many ionosphere origin oxygen ions in the magnetosphere, especially during geomagnetic active times. Magnetic reconnection is believed to be one of the most important energy transfer process, which plays a significant role in energy transfer from the solar wind to the earth magnetosphere, and in the dynamic processes in the magnetosphere. Whether these oxygen ions get involved in the magnetosphere reconnection are still not quite clear. This project will focus on the behavior of oxygen ions during its upflowing and acceleartion, especially during reconnection process and embedded in the magnetic structures formed due to reconnection. The behavior of protons and oxygen ios will be compaered to illustrate It will observationally address the.acceleration of the O+ ions in terms of magnetic reconnection and/or high speed flows and the dipolarization processes in the plasmasheet, and try to understand the possible influence of oxygen ions to the tail dynamic process. The proposed project will provide a new level of understanding of the characteristics of ionospheric upflowing O+ ions in the magnetosphere activities.

磁层中存在大量的来源于电离层的氧离子，而磁重联被认为是重要的能量转化方式，在太阳风能量向磁层的传输以及磁层动力学过程中起着重要的作用，这些氧离子是否参与重联过程，它们的加热加速是否与发生在磁层中的重联相关联是一个重要的科学问题。本项目拟通过多颗卫星观测资料，分析等离子体片边界层中来源于电离层氧离子的分布特性, 研究来源于电离层的氧离子的上行机制与特性; 分析研究磁场重联过程以及相关磁结构中氧离子的行为，寻找氧离子参与磁层重联过程的观测证据，了解氧离子对重联过程可能的影响; 比较研究高速流中氧离子与质子行为的异同，分析氧离子的加热与加速过程，探索氧离子在磁层动力学过程中的作用, 可望对氧离子在磁层动力学过程中的参与过程有更为深入的理解和认识。

来源于地球电离层的氧离子是磁层物质的重要来源，并且参与到磁层电离层的耦合过程，并在磁层动力学过程中扮演重要的角色。本项目研究上行氧离子的加速过程，及其在磁层中与磁场重联过程的相互影响等微观物理过程，并揭示这些过程对宏观磁层动力学的控制与影响机制。我们利用卫星观测资料，首次发现了氧离子参与磁场重联的直接证据，并发现氧离子在过程中表现出与氢离子完全不同的飞行时间效应，得到“不同离子成分具有不同的扩散区结构，且重离子扩散区更大”的重要结论，为剖析多组分磁场重联及评估重离子对重联率的影响等研究提供依据。在重联出流区与磁场偶极化锋面相伴的高速流中，氧离子也表现出迥异的分布特征。数值模拟表明，较大的回旋半径是氧离子独特表现的主因，因此氧离子的粒子动力学特性是在研究其在磁层过程中特别是重联过程是必须十分重要的特性。起源于电离层氧离子需要经历诸多加速过程方可挣脱重力上行到磁层中去。利用Cluster、THEMIS和MMS卫星观测资料，我们对氧离子的加速过程开展了广泛的研究。在较低的极区磁层，我们发现能谱倒V结构可同时存在于质子、氦离子和氧离子等离子束中,由此推断U形电势结构对电离层离子的加速过程。结构中离子温度分布、不同成分的温度差异和加热效率，显示出电磁离子回旋波也可能在加速过程中扮演重要角色。动力学阿尔芬波可同时加速电子和离子，是重要但难以被观测证实的等离子体加速机制。在远磁尾中，我们观测到动力学阿尔芬波以及电子与离子尺度波动的耦合过程，并验证了波动中平行电场分量对电子的加速过程。在强磁暴期间，内磁层动力学阿尔芬波甚至可将电离层低能氧离子直接泵入磁层，为氧离子上行开辟新通道。以强亚暴和超强亚暴为例，我们研究了氧离子对磁层宏观动力学过程的影响，发现与强扰动相关的电磁脉冲可以将磁层氧离子注入更深的内磁层位置，并加速局地原有离子，显著地增强磁暴和部分环电流，从而造成磁层全球性的剧烈扰动。