近日，实验室王赤院士团队在研究电离层电导率对磁层对流的影响方面取得了重要新进展。研究团队利用自主研发的三维大尺度PPMLR-MHD模型，深入探讨了电离层电导如何影响日侧驱动的磁层对流，为进一步理解日地耦合系统提供了新的见解。
磁层对流是太阳风与地球磁场相互作用的关键过程，直接影响空间天气。自20世纪60年代以来，经典的磁层大尺度对流循环（Dungey循环）一直被用于描述太阳风与磁层的耦合。然而，随着观测和模拟技术的进步，研究表明，当行星际磁场（IMF）发生由北向南的转变时，磁层对流的响应时间非常短，远低于传统Dungey循环依靠磁尾重联驱动闭合磁力线对流所能解释的时间尺度。
近期的研究表明，日侧磁层顶的磁重联可以在10分钟左右直接驱动磁层对流，对流增强从日侧向夜侧传播。然而，电离层电导率在这一过程中的具体作用尚不清楚。
在此次研究中，朱明惠特别研究助理和戴磊研究员等人利用PPMLR-MHD模型，通过2016年3月11日事件分析了行星际磁场由北向南转后的磁层对流，进行了三组模拟，分别设定了不同的电离层电导条件：两组为正常电导（经验电导和常数电导），另一组假设电导接近无穷大。模拟结果显示，磁层对流的时空演化模式在三次模拟中大体一致。图1展示了经验电导下磁层对流在磁赤道面上随时间的演化。与正常电导相比，当电导趋于无穷大时，磁层对流减少了约20%，而电离层的一区场向电流（Region-1 FAC）和Pedersen电流则增加了约30% （图2所示）。
研究还表明，磁层对流对太阳风变化的响应时间并未受到电离层电导的影响。研究人员解释，10-20分钟的响应时间可能对应于日侧磁重联的磁力线在磁层顶沿两侧向反日向拖拽的过程。当电离层电导较高时，被拖拽的磁力线在电离层中的足点更加稳定，可能导致Region-1 FAC和Pedersen电流的增加，更强的Pedersen电流与磁层中更强的J×B阻力相关，进而影响了磁层中的对流强度。
该研究深化了对电离层与磁层相互作用的理解。 这项研究得到了国家自然科学基金、中国科学院空间科学战略先导专项和民用航天技术初步研究计划的资助。相关成果已发表在《Journal of Geophysical Research: Space Physics》期刊上。论文链接：https://doi.org/10.1029/2024JA032607
Citation: Zhu, M., Dai, L., Wang, C., Gonzalez, W., Samsonov, A., Guo, X., et al. (2024). The influence of ionospheric conductance on magnetospheric convection during the southward IMF. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 129, e2024JA032607. https://doi.org/10.1029/ 2024JA032607
图1：经验电导设置下的磁层对流在磁赤道面上的时间演化。
图2：三组电导设置下，场向电流（a-c）东西向演变的数值模拟结果和（d）均方根值演变。