磁层中氧离子分布研究

O+ is an important species in the magnetosphere. Oxygen ions upflow from the ionosphere, and are transported and accelerated in the magnetosphere. They are further injected into the ring current and are responsible for the development of major magnetic storms. Oxygen ions also have important effects on many processes in the magnetosphere. However, due to the limitation of in situ measurements, the full distribution of oxygen ion has not been developed, especially for mid-latitude regions. Cluster satellites have provided high-quality measurement of particle and fields in the magnetosphere. Since 2009, Cluster changes its orbit to cover more regions and provides an unique opportunities to analyze three-dimensional distribution of oxygen in the near-Earth magnetosphere. In this project we propose to use Cluster observations to investigate the characteristics of oxygen in the magnetosphere. Specifically, we strive to address the follow objectives: a) Investigation of the transportation and acceleration of oxygen ion in the magnetosphere; b) Investigation of the effect of oxygen ion on magnetic reconnections in the magnetosphere; c) Investigation of the effect of oxygen ion on the ULF waves in the inner magnetosphere.

氧离子是地球磁层中的一种重要的离子成分,它来自于电离层,经过在磁层里的输运和加速过程后被注入到环电流,是形成大磁暴的主要离子成分，并且在磁层的动力学过程中有着重要的作用。以往由于受到卫星观测的限制，人们没有办法得到完整的近地磁层内的氧离子分布特征，特别是缺少中纬地区氧离子的信息。Cluster卫星搭载了高质量的粒子和磁场探测仪器，为研究磁层中的离子成分提供了大量可靠的观测数据，它于2009年进行变轨，其轨道倾角逐渐降低，覆盖了所有的纬度，为解决这一问题提供了很好的机遇。本课题计划利用Cluster计划的多颗卫星探测数据对磁层内的氧离子分布进行详细的研究，争取在下面三个方面取得重要进展：（1）氧离子在磁层中的输运过程及其伴随的加速机制；（2）氧离子对磁层内的重联过程的影响；（3）氧离子对内磁层超低频波的影响。

氧离子是地球磁层中的一种重要的离子成分,它来自于电离层,经过在磁层里的输运和加速过程后被注入到环电流,是形成大磁暴的主要离子成分，并且在磁层的动力学过程中有着重要的作用。以往由于受到卫星观测的限制，人们没有办法得到完整的近地磁层内的氧离子分布特征，特别是缺少中纬地区氧离子的信息。Cluster卫星搭载了高质量的粒子和磁场探测仪器，为研究磁层中的离子成分提供了大量可靠的观测数据，它于2009年进行变轨，其轨道倾角逐渐降低，覆盖了所有的纬度，为解决这一问题提供了很好的机遇。本课题利用Cluster卫星11年的观测数据研究了氧离子在近地磁层空间的三维分布。分别研究了3个能量段的氧离子在4-19地球半径内的分布，分析了氧离子在磁层里的输运路径，并讨论了输运过程中可能存在的加速机制，特别地给出了前人工作没有给出的中纬度地区的氧离子分布特征。通过分析三个不同能量段的氧离子分布特征的异同点，更好地理解了氧离子的上行和在磁层中的输运过程：氧离子主要从高纬极区上行，经过等离子体幔和尾瓣区域输运到等离子体片区域，在等离子体片种被进一步加速和加热并向地球方向输运，这些研究成果为我们提供了研究磁暴和非磁暴期间的氧离子分布性质的基础信息。项目研究了氧离子和氢离子的比例在内磁层中的分布及其与地磁活动的关系，发现分布中的晨昏不对称性，并提出磁层亚暴和地磁活动期间增强的对流电场可以为等离子体片带来大量的氧离子并为磁暴期间环电流的增长提供条件，不同的氧氢比例显著改变磁层的阿尔芬速度进而影响磁场重联效率和超低频波激发等物理过程。在本项目的资助下在国内外顶级期刊上发表了7篇SCI论文，其中包括2篇GRL、2篇JGR、1篇中国科学论文，研究成果获得了国际同行的关注，2016年发表的GRL论文被评为当年ESI高被引论文。申请人获批2017年度教育部“长江学者奖励计划”青年学者，项目共培养博士生4名和硕士生3名，其中已毕业博士生1名和硕士生3名。