THEMIS卫星对磁层亚暴期间近地等离子体片的最新观测研究

磁层亚暴是地球空间最重要的能量输入、耦合和耗散过程。磁层亚暴发生在行星际磁场（IMF）南向时，每次延续2~ 3 h。由于磁层亚暴出现频繁，对地球空间有广泛和重要的影响，其全球过程、效应和模型的研究一直是近30年来日地物理学中最受重视的核心前沿课题之一。多年来已提出和发展了许多种模型和理论，最有影响的有“近地电流中断模型”(NECD)和“近地中性线模型”(NENL)。

根据“近地电流中断模型”：(1)内磁层(-8~ -10Re)是自由能的源区，越尾电流在亚暴膨胀相爆发之前达到最大[Kaufmann, 1987; Ohtani et al., 1992]；(2)近磁尾不稳定性导致电流中断(CD)，形成亚暴电流楔(SCW)，进而触发亚暴爆发；(3)在亚暴开始之后，电流中断引起了向尾部传播的稀疏波，这种波使等离子体片变薄，Bz减小。在磁尾某点，在膨胀相的末期，或者在恢复相开始时，这些效应触发重联以及后来等离子体粒团和高速流(BBFs)的生成；(4)等离子体流既不能引起电流中断，也不能引起极光崩溃[Lui, 1992; Lyons,2000]。另一方面，新发展改进的“近地中性线模型”(NENL)[Baker et al.,1996; Baumjohann, 2002]认为：(1)来源于中磁尾磁重联的BBFs向内磁层传输能量，它们阻塞的位置一般在-13~ -15Re以外[Shiokawa et al., 1997]；(2)磁通量在这一位置堆积，最终导致磁场的偶极化[Shiokawa et al., 1998]；(3)由于高速流阻塞产生压力梯度导致昏向越尾电流转向，从而形成SCW[Birn et al.,1999]。在这两种模型中，磁场偶极化是一个共同的特征。在有些事例中，BBFs先于内磁层偶极化之前出现，这支持BBFs可以导致磁场的偶极化。而另一些事例中，电流中断可以在没有BBFs的情况下，引起磁场的偶极化。由于过去主要是单点探测，人们对大尺度的磁场偶极化过程还很不清楚。

图一：“近地电流中断模型”的演化过程（上图）；新发展改进的“近地中性线模型”的演化过程（下图）。

2007年2月美国国家航空航天局(NASA)启动了“西弥斯”计划(Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms，简称THEMIS。Themis也是希腊神话中的司法与正义女神的名字)。以往使用单个卫星的数据，无法确切探明亚暴开始的地点和时间以及一些大尺度物理过程的演化时序,而NASA此次的“西弥斯”计划中采用了5个相同的探测器和一系列地基全天空相机进行协同观测，目的就是为了研究磁层亚暴的触发机制和判断哪一种物理模型是正确的。THEMIS的成功发射，为我们深入研究大尺度的磁场偶极化过程，提供了很好的机会。

在本项研究中，我们利用THEMIS的最新观测资料对磁层亚暴期间近地等离子体片进行了多点观测研究，发现：近磁尾内边界中的偶极化主要是电流中断造成的，而在高速流阻塞区的偶极化尾向传播主要是磁通量堆积造成的。这很好地弥补了过去对磁场偶极化局地观测的不足，提高了我们对大尺度磁场偶极化过程的认识。同时研究还表明：在亚暴膨胀相开始之前，中磁尾重联可能会导致近地磁场位形的突然变化，并可能进一步导致该区域不稳定性的发生，最终触发电流中断。

本工作主要由来自我中心、中国科学技术大学、美国加州大学、加拿大卡尔加里大学、以及德国著名的TUBS实验室等科学家合作完成，获得国家自然科学基金的资助。相关研究结果已正式被国际著名杂志J. Geophys. Res.—Space Physics接受发表[Tang, C. L., Z. Y. Li, V. Angelopoulos, S. B. Mende, K. H. Glassmeier, E. Donovan, C. T. Russell, and L. Lu (2009), THEMIS observations of the near-Earth plasma sheet during a substorm, J. Geophys. Res., 114, A09211, doi:10.1029/2008JA013729.]。