高纬磁层顶磁通量传输事件形成机制与结构演化研究

Flux transfer events (FTEs) are caused directly by and thus an important representation of magnetic reconnection on the dayside magnetopause, mainly through which energy is transported into the magnetosphere from the solar wind via the magnetopause. The formation mechanisms, spatial topologies, structure motion and evolution of FTEs have been extensively studied since they were identified first in the data collected near the magnetopause 30 years ago. However, all those aspects are not well understood so far. Therefore, by employing remote metering as well as in-situ observation on high-latitude magnetopause, we propose to study the aforementioned problems and we expect to obtain creative results as follows: (1) to reveal the three dimensional topology of the high-latitude portion of FTEs when they are being generated at low latitudes, and thus to understand their formation mechanism at low latitudes; (2) to explore the probabilities, preconditions and mechanisms of FTE formation at high latitudes; (3) to understand the motion and evolution of FTE structures and their relevant disturbances in the adjacent magnetosheath and magnetosphere.

太阳风输入到磁层的能量的绝大多数是靠磁层顶磁场重联来完成的，而磁通量传输事件（FTE）则是磁层顶磁场重联的直接产物和重要表现形式。该事件被发现的30多年来，人们对FTE的形成机制、空间形态以及结构的输运演变过程进行过大量的研究，然而，到目前，这些问题并没有得到完全的理解。本项目提出基于高纬磁层顶的观测资料，利用遥测与实地测量相结合的方法，对FTE的形态、形成机制以及输运演化进行系统的研究，有望在以下方面取得创新成果：（1）、FTE在低纬形成时，与其相连的高纬部分的三维形态，并由此推断低纬FTE形成过程；（2）FTE在高纬产生的可能性、条件以及物理机制；（3）、FTE在向高纬运动过程中，其结构的演化及其对背景磁层和磁鞘所产生的扰动和相关的空间天气效应。

太阳风与磁层之间物质和能量交换主要通过磁层顶的磁场重联来实现，磁层顶的磁场通量传输事件（FTE）则是磁重联的重要标志。对FTE的产生机制的研究，是研究磁层顶磁重联的手段。本项目在申请阶段提出，基于高纬的卫星观测资料，对FTE的形态、形成机制以及输运演化过程进行系统的研究，以期对磁层顶磁场重联的特性有更进一步的理解。在该项目的资助下，我们并没有完全局限于FTE事件的研究，而是针对磁层顶的磁场重联事件，详细全面地调研了Cluster和THEMIS卫星在磁层顶观测的所有资料，通过事件分析和数据统计的方法，得出了一些结论。基本研究内容和结论如下：1）目前重联研究侧重于重联后结构研究，而我们则针对磁层顶磁场重联的位置进行研究，这是理解重联发生条件的重要步骤。利用重联加速离子的能量色散特性，我们从较远距离反推磁场重联位置。研究表明，磁场重联是发生在穿越日下点附近的X线上，但X线的位置收地球磁场偶极角的影响明显，同时还收磁鞘背景流的影响。统计研究表明，磁层顶重联发生在磁鞘等离子体热压最大处，此处的磁层顶抗磁电流最强；在地球磁场偶极倾角不为零时，此处存在低于阿尔芬速的磁鞘背景流；该背景流对磁场重联的位置具有调制作用。2）我们研究表明，除重联外，太阳风向磁层输入能量还有其他方式。磁层顶运动的大尺度结构，例如FTE，可在磁层顶激发动力学磁场湍动，这些湍流为太阳风粒子向磁层扩散提供类粘滞相互作用。3）我们也将研究内容扩展到非磁化星体（月球）与太阳风的相互作用，用以比较太阳风与不同磁性星体相互作用有何差别，从而提升了我们的研究视野。太阳风直接轰击月球表面形成月球尾迹。我们详细研究了月球尾迹的全球形态。我们发现尾迹中的阿尔芬翅现象，并得出尾迹中的压强梯度是月球阿尔芬翅的形成原因。阿尔芬翅是月球与太阳风相互交换动量的形式。我们比较研究太阳风与各类星体相互作用，有较为重要的科学意义。