激波极光精细结构及其对流变化研究

As a significant disturbed polar upper atmospheric phenomenon caused by the interplanetary shock or sudden enhanced solar wind dynamic pressure, shock aurora plays an essential role in solar wind-magnetosphere coupling system. Here, we intend to take full advantage of our ground-based optical auroral observations in Antarctic Zhongshan, South Pole station, Arctic Yellow River-KHO observatory, and simultaneous SuperDARN ionospheric convection data to study shock aurora fine structure and its associated plasma flow variation. By using high temporal and spatial auroral data, we attempt to get detailed information on the diffuse and discrete aurora, including their motional feature, spatial propagation and coverage, medium/micro scale structure. On the basis of ionospheric remote observations, we plan to reveal longitudinal width and its periodical signature of the plasma flow reversal during the shock compression and also investigate the evolution of the associated field-aligned current system.

激波极光是行星际激波或太阳风动压增强与地球磁层碰撞触发的极区强扰动空间物理现象，是太阳风-磁层能量耦合的重要表现。该项目利用我国南极中山站、北极黄河站-KHO台站以及南极点站的高时间和空间分辨率的极光观测数据，结合SuperDARN雷达网提供的极区电离层对流观测，旨在研究激波极光的精细结构及其演化特征，同时给出极区电离层对流变化的物理学特征。试图就弥散和分立状两类主要形态的极光结构在激波到达之后的运动学特征、空间分布特征、中/小尺度形态结构演化等给出清晰的描述。基于无线电的探测手段明确瞬间压缩过程中出现的对流反转现象的经向尺度及周期性特征，以便反演出激波极光期间扰动场向电流系的演化。

关于行星际激波与地球空间相互作用触发磁脉冲引发的极区电离层响应，我们利用中山站高频雷达和测高仪同时观测的数据，首次发现了“高频多普勒突然脉冲”现象，而电离层等离子体瞬时的垂直下降运动，同时高频雷达观测到雷达回波数量突然减少和水平对流显著反转。通过地磁脉冲的磁场演化和地磁共轭的宇宙射线吸收观测，我们认为是地磁脉冲初始扰动相期间下行场向电流有关的能量粒子沉降引起了上述空间物理观测现象。这是利用无线电探测设备对极区电离层、尤其是极隙区正午电离层对行星际激波扰动获取的精细结构观测研究，相关研究成果正在整理总结。.利用黄河站连续多年的极光观测数据，统计研究了弥散极光在日侧的形态学分类及其分布等的观测特征，合理地解释了它们产生的原因，为通过地面极光观测推断日侧外磁层中冷等离子体的分布和成因提供了一种新的手段，提出了产生喉区极光的可能物理机制。.利用SuperDARN对极区电离层对流的长期观测数据和极区全域电势算法获得了全域对流图和电势分布，提取了时间分辨率为2分钟的越极盖电势差、对流涡位置和涡间电势差等极区电离层对流特征参数;提出了利用高频雷达观测反演电离层物理参量的算法；研究了越极盖电势差随IMF及太阳风参数以及与不同地磁指数的相关性；基于人工智能和机器学习，初步建立了越极盖电势模型并分析其“饱和”效应和可能的物理机制。.总结回顾了天基和地基光学数据获得的激波极光时空演化特征。利用星载成像仪，可以得到全球尺度、广域的极光对行星际激波扰动的宏观动力学演化特征，为人类认识大尺度激波极光提供了基础数据支撑。由于星载成像仪时间和空间分辨率较低，无法在高时间和空间分辨的角度得到极光对行星际激波扰动的精细结构演化特征，因此地基高时空分辨的极光观测数据显得尤为重要。我们既回顾了地基观测的激波极光的详细演化特征，又对基于我国自主观测的极光和电离层探测数据可开展的相关瞬时响应现象进行了展望。