磁暴期间环电流区域的高能粒子将对运行在地球空间的人造卫星造成不利的影响,环电流所引起的地磁扰动也可能对地球表面的某些设施造成干扰或破坏。因此对环电流的研究,特别是对磁暴环电流的研究显得尤为重要。地球空间双星探测计划(简称双星计划)是我国第一次自主提出的国际合作重大空间探测项目,其包括赤道区卫星(TC-1)和近地极区卫星(TC-2)。TC-2卫星上搭载了专用于地球环电流探测的中性原子成像仪(NUADU)。NAUDU采用遥测的方式,可以实现对环电流区离子全局分布和动态演化过程的连续监测,为磁暴环电流的研究提供了强有力的手段。本文的作者在双星计划科学运行中心工作期间参与了NUADU仪器的研制工作,同时负责科学数据的处理。本文的目的是总结TC-2中性原子探测所取得的成果以及利用第一手的中性原子成像数据,结合我国自主提出的环电流离子分布模型和中性原子成像模拟技术,开展环电流离子分布形态以及动态演化的研究。研究的内容主要包括以下三个方面:1、通过直接分析卫星于地磁偶极子轴附近获取的中性原子图像,试图揭示环电流离子沿地方时的分布形态和随磁暴发展的变化规律。对NUADU在地磁偶极子轴附近获得的观测图像的直接分析表明:2004年11月磁暴期间南向的行星际磁场(IMF)分量在离子从磁尾向内磁层注入和随后的环电流增长过程中起着关键的作用。IMF转为北向后,离子注入很快停止。在离子注入增强期间,离子的漂移路径是开放的,以致大量环电流离子从黄昏侧注入后快速地损失在黄昏至正午的磁层顶。所以,环电流往往在离子漂移路径从开放变为封闭后才达到最大强度,而不是在这之前,尽管那时的离子注入强度更大。在该磁暴主相期间,离子注入发生在17:00LT~22:00LT范围内,形成极其不对称的环电流分布形态。而在恢复相期间,由于受大的IMF By分量的影响,离子注入区的地方时分布范围东向扩张。对称环电流在磁尾对流电场减小,离子漂移路径变为封闭形态之后形成。在磁暴恢复相后期,从ENA图像看环电流基本平息,而Dst指数仍然显示较强的磁扰动,这说明越尾电流对Dst指数有重要的影响。2、对NUADU不同能道ENA通量水平随磁暴演化而变化的特性进行分析。文章分析了分别发生于2004年11月和2005年5月的磁暴期间ENA通量的变化特性。两次磁暴期间,ENA通量的变化表现出一些重要的共同特征。如果忽略影响ENA通量的其他次要因素,ENA通量的变化反映了环电流离子通量的变化。分析表明环电流离子通量随能量的增高快速下降,磁暴主相期间可能由于高能O+的增加使得能谱有所变硬。离子通量的变化大体上是无色散的。离子主要受南向行星际磁场(IMF)所引起的对流电场的驱动注入到环电流区域。亚暴活动与环电流的增长没有直接的因果关系,但其对环电流的强度具有调制作用,引起环电流离子通量短时间尺度的波动。恢复相开始前,环电流离子在昏侧区域出现短时间迅速增大的现象。这可能是由于屏蔽电场的形成削弱了内磁层对流电场,造成离子在磁层顶的逃逸损失过程减弱。数据表明能量越低的离子,这种通量增长现象越明显,表明能量越高的离子越不容易进入小L值区域被捕获。离子通量的变化还表明在Dst/SYM-H指数的快速恢复期间,环电流离子通量的衰减速度也可以发生阶段性变化。这说明Dst/SYM-H指数并不能准确反映环电流的强度,环电流的衰减过程可能采取比先快后慢更复杂的阶段性衰减模式。3、利用环电流离子模型模拟计算环电流区的ENA通量,与NUADU的观测数据进行对比分析。模拟计算产生了空间分布与NUADU观测一致的ENA图像,但两者的能谱分布相差很大。模拟结果表明,考虑低高度区域H原子以外的其他大气成份对ENA成像的影响是完全有必要的。低高度区域ENA的二次电离损失也是不可忽略的因素。离子主要受磁暴期间的对流电场的作用,通过漂移的方式注入到环电流区。能量越高的离子更不容易进入到环电流区域。弱磁扰或中等磁扰(Kp < 5)时较高能量的(> 40keV)离子的通量在在晨侧出现通量空洞,说明此时的对流电场不足以将该能量范围的离子注入到环电流区。随着磁扰和对流电场的增强,这种通量空洞越来越小,最后消失。模拟ENA通量相比NUADU观测通量具有更硬的能谱,Kp指数越大,这种差异越明显。导致这种差异的原因可能是模型没有考虑某种与能量相关的环电流离子损失过程,或者是因为环电流区域的局地加速机制提高了低能端的离子通量水平。