电离层氧离子外流对磁层的影响

在强地磁扰动时期,电离层重离子如O^(+)离子与磁层注入的阿尔芬波在发生波粒相互作用后,会横向加速成为超热离子,通过磁镜力向上加速外流到磁层.这一类超热O^(+)离子外流会显著影响太阳风—磁层—电离层耦合系统的动力学过程.本文重点讨论了电离层O^(+)离子外流在磁层的分布特征,以及这一类外流对磁层对流模式的影响.电离层外流入磁层的O^(+)离子存在“速度过滤效应”,即外流离子的分布由离子外流速率决定.对于初始场向速度较快(约50 km/s)且温度较高(约100 eV)的外流O^(+)离子,它们更容易直接流到远磁尾损失掉,这对磁层结构的影响较弱.而初始场向速度较慢(约3 km/s)温度较低(约1 eV)的外流O^(+)离子,会在对流环流中被加热并填充内磁层和等离子片区域.这会显著影响环电流和重联过程,并改变Dst指数.即指一类速度在3 km/s量级的O^(+)离子外流相比更快的外流可以更显著的磁层物质成分和磁场拓扑结构.电离层O^(+)离子外流与夜侧重联区相互作用,既可能引发磁层对流的孤立亚暴,还可能引起周期为2~3小时的锯齿振荡对流模式.在理想的强南向IMF驱动条件下,随着O^(+)离子外流率从1026#/s量级增加到1027#/s,更多O^(+)离子进入等离子片被储存能量,使得磁尾逐渐膨胀并伴随着磁重联位置向后移动.当磁场张力不平衡时会释放储存的等离子体及能量,从而产生一次亚暴.在该质量加载引起的亚暴期间,大部分释放的离子会流向其他区域直接损失,少部分会重新回到等离子体片.持续存在的外流O^(+)离子可以重新填充等离子体片并在几个小时后重复以上过程,最终产生周期性的亚暴,即锯齿振荡.此外,模拟通过考虑O^(+)离子外流效应,重现了2002年4月18日一次磁暴恢复相期间的一系列准周期性锯齿震荡.说明除了太阳风周期性驱动条件,O^(+)离子外流也可能是锯齿震荡的一个产生因素.最后,在此基础上展望未来,提出了几个尚待解决的科学问题.