太阳表面的爆发活动以及行星际空间发生的不稳定性都会使地球轨道附近太阳风参数随之变动。而太阳风的状态是影响空间天气的重要因素。例如，太阳风动压的涨落就调制着物质/动量或能量进入磁层的效率。特别是太阳风动压的突然变化不仅能引起磁层磁场，电离层，地面磁场以及地面感应电流的瞬时扰动，还能改变磁层的粒子辐射环境。因此，太阳风动压的突然变化是太阳风-磁层耦合研究的重要方面。

本研究关注太阳风动压突然增加引起的地磁场扰动现象及其磁层激发源的问题。在较高的地磁纬度，这种瞬时扰动通常包含水平分量持续时间短而尖锐的初始脉冲(PI)和持续时间稍长的主要脉冲(MI)两部分。早在上世纪90年代，研究者们就对PI和MI信号的特征和全球分布做过统计研究，发现这些地磁信号由电离层等离子体涡旋运动(传输对流涡，traveling convection vortices (TCVs))伴随的霍尔电流引起。一些研究者用理论模型或全球数值模拟建立了PI/MI信号通过场向电流与磁层源区联系的物理图像。然而，由于缺乏相应的磁层卫星的同时观测，上述物理图像还没有被证实。而以往的相关观测研究或偏重于地面，或偏重于磁层，例如本小组成员在近两年的工作中，用THEMIS卫星实地确认了太阳风动压正/负脉冲在夜侧磁尾激发大尺度涡旋的现象。

磁层涡旋是否从向日侧就开始了，地磁PI/MI信号的电流源与磁层的涡旋有怎样的联系？带着这些问题，我们利用地空联合观测的良机对2008年9月30日的事例进行了仔细研究。利用位于午前外磁层的三颗THEMIS卫星和午夜后两颗同步轨道GOES卫星，实地观测了地面PI/MI事件期间磁层发生的现象。我们注意到，太阳风动压突增激起了磁层脉冲(suddenimpulse,SI)信号，它们以阿尔芬速度向磁尾传播(图1)。三颗THEMIS卫星在SI过后监测到顺时针旋转的涡旋(图2)。于此同时，高纬磁场台记录到PI和MI信号。图3右图的箭头表示根据北半球76个地磁台站的磁扰数据反演得到的等电离层水平电流的指向和大小。可以看出，地磁场PI和MI扰动事件分别由一对旋转极性相反的电离层传输对流涡旋(TCVs)引起。还发现PI电离层涡旋对应于磁层观测到的尾向传播脉冲信号(SI),而MI电离层涡旋映射到磁赤道面附近的大尺度涡旋(径向尺度达3RE)上。等离子体涡旋还伴随磁场扰动，体现出场向电流的间接观测特征。我们用全球MHD模拟重现了上述观测事实(图3)。分析表明激发地面PI信号需要的场向电流一部分由磁赤道波模转化供给，而大部分可能来自日侧高纬磁层的某个区域；激发地面MI信号需要的场向电流由磁层赤道面涡旋提供。这一工作对揭示太阳风动压脉冲引起的磁层-电离层瞬时电流系统有意义。

图1.太阳风动压突增激发的磁层脉冲(SI)以阿尔芬速度尾向传播，被五颗磁层卫星依次观测到。

图2. SI过后,位于晨侧外磁层的THEMIS A,D和E三颗卫星观测到径向尺度>3Re,顺时针旋转的等离子体涡旋。

图3.全球MHD模拟得到的磁赤道面(z=1)场向电流分布(左图)和相应时期北电离层场向电流的分布图。右图中的黑色箭头表示由地面磁场反演得到的电离层EIC电流。可以看到磁层电离层两个区域的瞬时电流在时间上对应的很好。

本项研究由本中心、空间中心和北京大学的科研人员合作完成。研究结果已于2016年11月由Journal of Geophysical Research: Space Physics发表。这一研究得到了国家自然科学基金和山东省自然科学基金的支持。（Tian, A. M., X. C. Shen, Q. Q. Shi, B. B. Tang, M. Nowada, Q. G. Zong, and S. Y. Fu (2016), Dayside magnetospheric and ionospheric responses to solar wind pressure increase: Multispacecraft and ground observations,J. Geophys. Res. Space Physics, 121, doi:10.1002/2016JA022459.）

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