磁尾等离子体片粒子注入与环电流形成关系的研究

Understanding the formation and development of the ring current in the terrestrial inner magnetosphere is crucial for studying magnetic storms. Particle injections from the magnetotail plasma sheet have been believed to be the main source of the ring current during storm times, and it has been one of the most focused topics in space physics research how plasma sheet particles are injected into the ring current. As two major mechanisms of plasma sheet injections,whether they are driven by the variations of solar-wind-driven convection electric field or by the magnetotail dynamics, e.g., substorms, Bursty Bulk Flows, and Dipolarization Fronts, is the key question. The simultaneous observations of the inner magnetosphere and the transient and localized tail dynamics provied by recent Radiation Belt and Storm Probes (RBSP) and magnetosphere probes such as THEMIS, Cluster, give us an unpercented opportunity to approach this question. This project plans to the near-Earth tail observations from THEMIS and Cluster and the inner magnetosphere observations from RBSP satellites to study: (1) the characteristics and physical mechanisms of particle injections caused by magnetotail dynamics; (2) the relative contribution to the ring current buildup from the large-scale convection electric fields and the transient inductive electric fields associated with particle injections; (3) the effects of particle injections to the ring current and the Dst index under various solar wind and IMF conditions. With the numerical study of the global magnetosphere model, OpenGGCM, we will be able to provide more insights to the physical processes of the formation and evolution of the ring current during magnetic storms.

地球内磁层环电流的形成和演化是研究磁暴的核心问题。暴时环电流的粒子主要来自磁尾等离子体片，但其进入环电流的物理机制是国际上争论的焦点之一。由太阳风驱动的磁层对流电场变化和磁尾动力学过程（如亚暴、BBF、DF）是环电流粒子注入的两个可能机制，而争论的焦点是哪类机制起主导作用。近期的辐射带双卫RBSP结合THEMIS、Cluster等磁尾探测项目可以实现对内磁层环电流和磁尾短时小尺度动力学过程的联合同步观测，为研究这一问题提供了良好的机会。本项目拟利用THEMIS、Cluster等磁尾卫星和内磁层RBSP卫星，研究（1）磁尾等离子体片动力学过程造成的粒子注入特征和机制；（2）与粒子注入相关的对流电场变化和小尺度感应电场对环电流影响的相对贡献；（3）不同条件下粒子注入影响环电流及Dst指数的物理机制。结合全球磁层模型OpenGGCM的数值模拟研究，我们可以较为全面地揭示暴时环电流形成和演化机制。

地球内磁层环电流的形成和演化是造成磁暴期间低纬地磁场扰动的直接原因。磁层粒子如何被输运到内磁层并加速到环电流粒子能量是环电流形成和演化过程中的一个焦点问题。地球磁尾中各种尺度的动力学过程，对磁尾的粒子注入过程起到不同的作用，但目前对这些现象对内磁层环电流的影响尚不清楚。本项目利用THEMIS、Cluster等磁尾卫星和内磁层RBSP卫星，结合多种数值模拟手段，从磁层波动现象、磁偶极化锋面特性、太阳风与磁层的相互作用这几个方面研究了磁层动力学过程对环电流粒子注入的影响。1. 利用Cluster数据，研究等离子体片中pi2频段波动的产生机制，分析了pi2频段波动与等离子体片动力学过程以及太阳风之间的关系。发现等离子体高速流可能是等离子体片中pi2频段波动/振荡的主要驱动因素。同时利用回旋平均测试粒子模拟方法定量研究了磁声波（即赤道噪声）和等离子体层内外环电流质子之间的相互作用。对于频率为33.3 Hz的磁声波，发现共振级为最低共振质子能量的波粒相互作用是最主要的，磁声波在等离子体层内加速几个keV的质子，在等离子体层外加速约10 keV质子。2. 利用包含霍尔效应和有限拉莫半径效应的拓展磁流体力学（MHD）模型，重现了等离子体片中爆发式整体流制动区与交换不稳定性相关的偶极化锋面(DFs)。发现在近地区域，交换不稳定性可以产生地向和尾向的偶极化锋面，其产生的多重DFs呈“增长”型。在惯性长度尺度上，霍尔效应决定了DFs的电场分布，在DF处的电场的霍尔项占主导，并解释了粒子在穿越磁偶极化锋面的速度偏转现象，统计分析得出离子在偶极化锋面上加速情况。3.提出了一种新的全球磁流体动力学(MHD)模型研究了地球磁层顶和弓激波对不同方向IMF和太阳风动压的响应，发现了太阳风动压是影响磁层顶和弓激波位置的主要因素，数值模拟结果显示在强太阳风动压条件下磁层顶的地向移动要大于经验模型的预测。