磁暴是磁層中一種強(qiáng)烈的地磁活動(dòng)現(xiàn)象，它是空間天氣研究中極為重要的物理過程。而環(huán)電流是磁暴研究中最為核心的課題。環(huán)電流存在于地球附近2-9個(gè)地球半徑內(nèi)，由能量粒子（幾個(gè)至幾百個(gè)千電子伏特）在地磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)受抗磁漂移、磁場(chǎng)梯度漂移、曲率漂移運(yùn)動(dòng)形成。在磁暴期間，大量的能量粒子注入到環(huán)電流區(qū)域，導(dǎo)致環(huán)電流強(qiáng)度增強(qiáng)，從而引起地磁場(chǎng)的劇烈擾動(dòng)。

　　近日，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心空間天氣學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的沈超研究員、楊艷艷博士等利用Cluster衛(wèi)星多點(diǎn)探測(cè)方法研究了磁暴期間環(huán)電流的分布特征和當(dāng)?shù)卮艌?chǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化。此項(xiàng)研究直接探測(cè)到了環(huán)電流區(qū)域內(nèi)側(cè)的較弱的東向電流；而在其外側(cè)，存在著強(qiáng)度更大的西向環(huán)電流。例如，2001年3月31日強(qiáng)磁暴事件期間，電流強(qiáng)度達(dá)到100nA/m²。這是迄今地球磁層中所觀測(cè)到最強(qiáng)的電流密度。此項(xiàng)研究首次通過直接探測(cè)定量化確認(rèn)磁暴期間內(nèi)磁層磁場(chǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化。在磁暴期間，隨著磁暴強(qiáng)度的增加，整個(gè)環(huán)電流區(qū)域磁力線曲率半徑減小。特別在超強(qiáng)磁暴時(shí)期，磁力線曲率半徑大小只有寧靜時(shí)期的約1/3。研究結(jié)果還表明，磁力線的幾何結(jié)構(gòu)以及環(huán)電流的分布均存在地方時(shí)的不對(duì)稱性。在相同強(qiáng)度的磁暴條件下，磁力線的曲率半徑在夜側(cè)最小，昏側(cè)次之，晨側(cè)居中，日側(cè)最大。

　　地磁力線的這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化對(duì)環(huán)電流區(qū)域、等離子體層區(qū)域以及輻射帶區(qū)域的粒子動(dòng)力學(xué)過程具有重要影響。首先，磁力線幾何結(jié)構(gòu)的變化將引起這些區(qū)域各能段帶電粒子的重新分布，更加向外延伸。其次，磁暴期間磁力線曲率半徑以及磁場(chǎng)強(qiáng)度的減小將打破輻射帶部分高能質(zhì)子第一絕熱不變量的守恒性，使其通過場(chǎng)線散射過程損失于大氣層，從而確認(rèn)磁暴場(chǎng)線散射效應(yīng)是質(zhì)子輻射帶的一種重要損失機(jī)制。最后，由于環(huán)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)擾動(dòng)值可與當(dāng)?shù)卮艌?chǎng)相比，應(yīng)該考慮環(huán)電流的磁能，磁暴DPS能量-磁擾動(dòng)關(guān)系必須加以修正。此項(xiàng)成果在2013年度EGU會(huì)議期間報(bào)告，引起了國際同行廣泛積極反響。

　　該項(xiàng)研究成果發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊Journal of Geophysical Research (JGR): Space Physics上。

　　相關(guān)鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2013JA019460/abstract 

　　(供稿：天氣室)

2001年3月31日環(huán)電流穿越事件磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)及環(huán)電流觀測(cè)

環(huán)電流（左）及磁場(chǎng)曲率（右）隨磁暴強(qiáng)度變化的統(tǒng)計(jì)結(jié)果