空间中心科研人员成功定量化确认磁暴期间环电流分布及磁场结构变化

　　磁暴是磁层中一种强烈的地磁活动现象，它是空间天气研究中极为重要的物理过程。而环电流是磁暴研究中最为核心的课题。环电流存在于地球附近2-9个地球半径内，由能量粒子（几个至几百个千电子伏特）在地磁场中运动时受抗磁漂移、磁场梯度漂移、曲率漂移运动形成。在磁暴期间，大量的能量粒子注入到环电流区域，导致环电流强度增强，从而引起地磁场的剧烈扰动。

　　近日，中国科学院国家空间科学中心空间天气学国家重点实验室的沈超研究员、杨艳艳博士等利用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。此项研究直接探测到了环电流区域内侧的较弱的东向电流；而在其外侧，存在着强度更大的西向环电流。例如，2001年3月31日强磁暴事件期间，电流强度达到100nA/m²。这是迄今地球磁层中所观测到最强的电流密度。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。在磁暴期间，随着磁暴强度的增加，整个环电流区域磁力线曲率半径减小。特别在超强磁暴时期，磁力线曲率半径大小只有宁静时期的约1/3。研究结果还表明，磁力线的几何结构以及环电流的分布均存在地方时的不对称性。在相同强度的磁暴条件下，磁力线的曲率半径在夜侧最小，昏侧次之，晨侧居中，日侧最大。

　　地磁力线的这种拓扑结构变化对环电流区域、等离子体层区域以及辐射带区域的粒子动力学过程具有重要影响。首先，磁力线几何结构的变化将引起这些区域各能段带电粒子的重新分布，更加向外延伸。其次，磁暴期间磁力线曲率半径以及磁场强度的减小将打破辐射带部分高能质子第一绝热不变量的守恒性，使其通过场线散射过程损失于大气层，从而确认磁暴场线散射效应是质子辐射带的一种重要损失机制。最后，由于环电流产生的磁场扰动值可与当地磁场相比，应该考虑环电流的磁能，磁暴DPS能量-磁扰动关系必须加以修正。此项成果在2013年度EGU会议期间报告，引起了国际同行广泛积极反响。

　　该项研究成果发表在国际学术期刊Journal of Geophysical Research (JGR): Space Physics上。

　　相关链接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2013JA019460/abstract 

　　(供稿：天气室)

2001年3月31日环电流穿越事件磁场结构及环电流观测

环电流（左）及磁场曲率（右）随磁暴强度变化的统计结果