场向电流极性和密度异常事件研究

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场向电流(Field-Aligned Currents,FACs)是磁层的质量、能量、动量传输到电离层的重要途径,在磁层-电离层耦合系统中扮演着重要角色。本文主要利用Swarm A和C双星1 Hz精度的磁场矢量数据,系统地研究了高纬FACs事件的时空分布特征及其影响因素;并协同DMSP卫星当地测量,进一步探讨了高纬FACs事件与极光沉降粒子的空间分布关系及其对应的磁层区域。论文主要结果归纳如下:1.基于2015—2016年期间Swarm双星共约36560个轨道的磁场数据,将晨昏地方时扇区高纬FACs事件按电流极性和密度分为四类,首次比较研究了四类FACs事件的时空分布特征及其对行星际磁场(Interplanetary Magnetic Field,IMF)和亚暴的响应机制。研究发现:(1)极性正常事件(晨侧靠极侧电流元向下流入电离层,靠赤道侧电流元向上流出电离层,昏侧电流极性相反,即传统意义上的R1和R2 FACs)发生率约为70%,其中R1 FACs强于R2事件的发生率为R1 FACs弱于R2的35倍;极性异常事件(与传统的R1和R2 FACs流向相反,两片电流元定义为R1*和R2*FACs)发生率约占30%,其中R1*<R2*的发生率约为R1*>R2*的1.52.5倍。(2)极性正常事件主要发生在南向IMF Bz期间,与重联电场相关性较好,净电流密度随着重联电场和电离层电导率的增加而增加。其中,R1>R2事件与IMF Bz南向增强有关,R1<R2事件位于IMF Bz北向偏转期间。(3)极性异常事件通常发生于北向IMF Bz期间。相对于极性正常事件,极性异常事件所处磁纬向极侧偏移4°。在北半球,晨侧R1*>R2*事件通常发生在IMF By<0期间,昏侧事件主要发生在IMF By>0期间,而R1*<R2*事件所对应的IMF By极性相反,南半球情形与北半球相反。(4)极性正常事件与亚暴相关性较好。其中,R1>R2常发生在亚暴膨胀相期间,R1<R2更倾向于发生在亚暴恢复相期间。2.基于2014年04月至12月DMSP-Swarm卫星的联合观测结果,结合沉降粒子能谱数据和极光图像进一步分析了四类FACs典型事件的空间分布特征,并探讨了四类FACs典型事件的磁层源区情况。结果表明:(1)极性正常事件中,晨昏扇区内R2 FACs的磁层源区为中性等离子体片和等离子体片边界层区域,R1 FACs则对应于等离子体片边界层和低纬边界层区域。极性异常事件中,晨昏两侧R2*FACs的磁层源区为等离子体片边界层和低纬边界层区域,而R1*FACs则主要对应于极雨区。(2)极性正常事件常位于南向IMF Bz期间;极性异常事件则与北向IMF Bz关联性较大,并且存在与IMF By相关的南北半球和晨昏扇区不对称性。此外,极性正常事件与亚暴过程有关。其中,R1>R2常发生在亚暴膨胀相期间,而R1<R2更倾向于发生在亚暴恢复相期间。
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