磁层环电流结构和特性研究

The behaviour of the Earth’s ring current (RC) is the dominant external influence on the measured geomagnetic field and the connecting systems of field aligned currents (FACs), bounding the high-latitude auroral zone, are responsible for the transport of energy and momentum between the magnetosphere and ionosphere/thermosphere. These current systems are highly dynamic and are driven by space weather influences. Their behaviour thus poses key problems of magnetosphere/ionosphere (M/I) coupling. We，using satellite and ground based data, aim specifically to: (1)address the basic physics of RC formation and behaviour and its relation to, and influence from, the radiation belts; (2)answer the open question of current closure: in the RC and via field aligned current (FAC) connectivity into the ionosphere, in relation to RC morphology (i.e. its radial and azimuthal form); (3)the response of large-scale FACs with respect to the (external) solar wind conditions.The recent launch (November 2013) of the 3 ESA Swarm satellites into low-Earth orbits during the 4-spacecraft ESA Cluster mission operations represents an enormous new (multi-point) capability, providing direct, in situ, determination of the RC distribution, together with simultaneous, direct measurement of its influence (corresponding currents at low Earth orbit (LEO), and in situ mapping of the connecting FAC systems). Ground based magnetometer networks provide a further data source to test the uniqueness of the RC signals and to cross-reference the effects of the FAC signals in both the equatorial and auroral regions. The applicant is foreign expert 1000 talents, and the C0-Is of ESA’s Swarm and Cluster missions.The implementation of this project will advance our understanding of magnetospheric and ionosphere coupling.

磁层环电流是影响地球磁场最重要的空间电流体系。场向电流是磁层－电离层能量输运的重要途径。这些电流体系高度动态变化，对地球空间天气影响极大，一直是磁层电离层耦合研究方面的热点课题。本项目将利用卫星数据和地面地磁数据，研究：（1）环电流的基本形成过程，以及其与辐射带变化的关系；（2）环电流与场向电流的连接和回路封闭问题；（3）大尺度场向电流对太阳风扰动的响应。欧洲空间局的SWARM的3颗卫星和Cluster的4颗卫星的局域多点探测数据能够提供从未有过的空间电流的精确测量。SWARM和Cluster的相互配合也使我们能够计算同一时刻的环电流和场向电流。这些有利条件保证了本项目的顺利实施。地磁探测数据可以提供由卫星测量环电流和场向电流的地面验证。项目申请人是我国千人计划特聘教授，也是SWARM 和Cluster卫星计划的Co-I。 本项目的实施将使我们能够更加深入地理解磁层－电离层的电流耦合过程。

磁层环电流是影响地球磁场最重要的空间电流体系。场向电流是磁层－电离层能量输运的重要途径。这些电流体系高度动态变化，对地球空间天气影响极大，一直是磁层电离层耦合研究方面的热点课题。我们研究团队第一次同时在地球不同位置用多卫星数据对磁场的电流密度进行直接观测，验证了场向电流在沿地球磁力线流动的过程中可以将能量从一个区域传递到另一个区域。我们第一次直接用Swarm数据段滑动求最大相关性的方法推导出电流片的方向，发现电流片的方向与低纬极光边界平均形状一致，特别是在昏侧。这种一致性在高纬区域要差一些。我们还利用Cluster卫星多点探测方法研究了磁暴期间环电流的分布特征和当地磁场拓扑结构的变化。我们的研究直接探测到了环电流区域内侧较弱的东向电流；而在其外侧，存在着强度更大的西向环电流。此项研究首次通过直接探测定量化确认磁暴期间内磁层磁场拓扑结构的变化。我们还对Cluster和MMS计算电流的方法在各个区域的适用性进行了研究。磁场重联作为自然界磁场与等离子体能量转化的重要一环而一直被广泛研究。由于环电流粒子来源与磁场重联相关，因此我们也对磁场重联做了大量工作。我们的研究揭示了次级重联产生小尺度通量传输事件，这些小尺度结构在传播过程中不断演化，最终可能达到通量传输事件的典型尺度这一个完整的过程。从而提供了通量传输事件一个新的可能的产生机制。