Ⅱ区场向电流体系在地磁活动期间的演化特征及模拟研究

场向电流是太阳风-磁层-电离层耦合的重要通道，与磁暴和亚暴等空间灾害性事件密切相关，是空间天气活动监测和预报研究的热点之一。近年来，观测的增加和模拟的发展愈加揭示出场向电流活动的复杂性，暴时场向电流的时空演变、各区场向电流之间的联系以及场向电流对不同太阳风参数的响应等诸多方面目前仍存在着争议。本项目计划结合空间与地面观测数据，以Ⅱ区场向电流为主要对象，针对三点问题进行研究：一是暴时Ⅱ区场向电流的分布特征，尤其关注强磁暴及超级磁暴期间场向电流演化过程与中等磁暴期间的异同；二是太阳风参数对Ⅱ区场向电流的调控作用；三是亚暴电流楔发展对Ⅱ区场向电流回路的影响。此外，本项目将建立以地磁活动指数为输入的Ⅱ区场向电流体系磁场模型，并通过发展地磁指数的预报方法，达到预报内磁层电流体系磁场的目的。

场向电流是地球近地空间重要的电流体系，是太阳风-磁层-电离层耦合的重要通道，也是指向电离层坡印廷通量的主要载体，因此场向电流的演化是磁暴亚暴中非常关键的问题之一。本课题经过三年的实施，按计划完成了研究任务。主要结果如下：（1）利用夜侧中纬地区磁场观测，通过事例和统计分析，研究了磁暴期间Ⅱ区场向电流体系的演化，结果表明，磁暴主相期间，北半球夜侧中纬地区呈现东向磁扰的主要特征，子夜后扇区东向磁扰强于子夜前扇区，即夜侧高纬电离层的场向电流以流出电离层为主，其发展与子夜后-晨侧扇区西向电集流增强相对应，这与暴时环电流最强分布在昏侧的结论一致，即随着SYM-H指数的增强，部分环电流密度中心扭转到黄昏-子夜前扇区，且部分环电流和Ⅱ区场向电流体系的昏侧偏转与磁暴强度密切相关，强度越大偏转越大；（2）行星际磁场Bz南向且太阳风动压很小时，日侧分布着正午前流入电离层、正午后流出电离层的场向电流，而行星际磁场Bz北向且太阳风动压突然增强时，正午附近出现与前一种情况流向相反的电流对。由于Bz南向时，日侧磁层顶重联是太阳风向磁层输送能量的主要途径，而太阳风动压的增强意味着类粘滞作用的增强，因此，向阳面正午附近的场向电流流向的变化是这两种物理过程的直接体现；（3）亚暴膨胀相发生时，Ⅱ区场向电流减弱，膨胀相之后，Ⅱ区场向电流明显的增强，即亚暴电流楔的发展对北半球夜侧流出电离层的场向电流有先减弱后增强的效应。可能的解释是亚暴膨胀相时，磁尾越尾电流中断，磁场偶极化，亚暴电流楔发展起来，而亚暴增长相期间建立的压强梯度突然减小，导致Ⅱ区场向电流减小，随着亚暴膨胀相的发展，等离子体片中的大量热粒子注入到内磁层，受磁场梯度漂移的作用集中在昏侧-子夜扇区，加大了内磁层西向热压梯度。膨胀相结束后，在晨昏电场的作用下，偶极化的磁场逐渐恢复到拉伸的磁尾磁场位形，磁场梯度增强。这一过程引起Ⅱ区场向电流在亚暴膨胀相之后明显增长；（4）利用MNOC对地磁资料进行有效分析的方法，发展了对地磁扰动场中长期变化程度进行预报的模式。