呂景天，張效信*，何 飛，黃 聰

1 中國(guó)氣象局空間天氣重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，國(guó)家衛(wèi)星氣象中心（國(guó)家空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心），北京 100081

2 許健民氣象衛(wèi)星創(chuàng)新中心，北京 100081

3 中國(guó)科學(xué)院地球與行星物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081

0 引 言

受太陽(yáng)風(fēng)的擠壓作用，地球周圍的磁力線從向陽(yáng)面向背陽(yáng)面逐漸彎曲，形成一個(gè)包層并向遠(yuǎn)處延伸，呈現(xiàn)出一個(gè)被太陽(yáng)風(fēng)包裹住的、彗尾狀的磁層空間.地球等離子體層是內(nèi)磁層的一部分，它位于地球電離層的上部.已有的研究表明，地球等離子體層是由電離層上行粒子被地球磁力線捕獲而形成的圓環(huán)狀冷的等離子體區(qū)域，其典型電子密度為10～104cm-3，能量約為1～10 eV，溫度為3 000～5 000 K，且與地球一起共轉(zhuǎn)（Carpenter, 1966;Gringauz, 1963; Lemaire et al., 1998; He et al., 2020）.等離子體層內(nèi)離子的主要成分為H+和He+，這些粒子中H+約占90%，He+約占10%，其他微量成分為O+、O++等（Carpenter, 1966; Gringauz, 1963）.等離子體層的結(jié)構(gòu)、大小、形狀和其中等離子體的分布對(duì)地磁活動(dòng)水平非常敏感.

地球等離子體層的密度隨距地心距離的增加而指數(shù)減小，并且存在非常明顯的外邊界，這個(gè)邊界被稱為等離子體層頂（plasmapause），在等離子體層頂附近，電子和離子密度在0.5RE范圍內(nèi)降低1～2 個(gè)數(shù)量級(jí)（Carpenter, 1963; Gringauz, 1963），等離子體參數(shù)、等離子體波和其他電磁現(xiàn)象都會(huì)在此處發(fā)生突變.等離子體層頂內(nèi)和等離子體層頂外的等離子體波動(dòng)特征可以影響內(nèi)磁層其他許多現(xiàn)象，如環(huán)電流和輻射帶（Fok et al., 2001, 2011, 2014）.因此，等離子體層頂位置是基本的磁層參數(shù)之一，它會(huì)影響內(nèi)磁層的能量和質(zhì)量的傳播，影響等離子體層波動(dòng)耗散（Fok et al., 2014）.此外，對(duì)等離子體層電子密度進(jìn)行研究還具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.等離子體層電子密度一般比電離層電子密度低2～3 個(gè)數(shù)量級(jí)，但在GPS-TEC 測(cè)量中，通常忽略了等離子體層電子密度的貢獻(xiàn).但由于無(wú)線電信號(hào)在等離子體層中的傳播路徑很長(zhǎng)，約為3～6RE，相對(duì)于電離層中的較高的密度和較短的傳播路徑而言，其對(duì)地基TEC 貢獻(xiàn)有明顯的晝夜差異（Davies,1980）.因此，在電離層-等離子體層的研究中，等離子體層的貢獻(xiàn)不能被忽略.由于每一個(gè)GPS 接收機(jī)都擁有其獨(dú)特的等離子體層傳播路徑（不同經(jīng)緯度），對(duì)于全球TEC 的分布而言，其數(shù)據(jù)應(yīng)包含等離子體層不同部分的貢獻(xiàn)，因此三維等離子體層密度分布的構(gòu)建尤為重要.

對(duì)等離子體層的探測(cè)已經(jīng)持續(xù)了多年.1952年，L.R.Owen Storey 利用哨聲波探測(cè)結(jié)果首先證實(shí)了等離子體存在于地球大氣層中（Keyser et al.,2009）.1960年代，Carpenter（1966 ）、Gringauz（1963）分別利用地面哨聲波和Luna-2 衛(wèi)星就位探測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)在距約3RE的區(qū)域上等離子體密度急劇下降，證實(shí)了等離子體層頂?shù)拇嬖?在過(guò)去的50年中，隨著人造衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，許多探測(cè)儀器被發(fā)射升空，以揭示等離子體層的密度結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)特征.這些儀器可以分為四類：第一類是質(zhì)譜儀.該儀器可就位探測(cè)等離子體層離子密度，如OGO-5 衛(wèi)星上的氫離子體質(zhì)譜儀、DE-1 上搭載的延遲離子質(zhì)譜儀等.通過(guò)這些測(cè)量發(fā)現(xiàn)了等離子體層密度變化的很多特征（Chappell et al., 1970; Comfort et al., 1985; Harris et al., 1970; Newberry et al.,1989; Olsen et al., 1987）.第二類是等離子體波動(dòng)探測(cè)儀器，測(cè)量等離子體層中離子激發(fā)的波動(dòng)來(lái)反演等離子體層參數(shù)，如Carpenter 和Anderson（1992）利用ISEE-1 衛(wèi)星上的掃頻接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)反演得到的電子密度分布，并以此建立了首個(gè)等離子體層電子密度分布模型——CA 模型.此后發(fā)射升空的DE-1、AKEBONO、CRRES、IMAGE、Cluster、VAP 等衛(wèi)星均搭載此類儀器，這為我們提供了大量的等離子體層電子密度探測(cè)數(shù)據(jù)（Darrouzet et al., 2009b; Kotova, 2007; Obana et al., 2021）.第三類是光學(xué)遙感儀器，通過(guò)對(duì)等離子體層He+共振散射的太陽(yáng)30.4 nm 譜線進(jìn)行全球成像觀測(cè)，反演等離子體層物理參數(shù).如美國(guó)IMAGE 衛(wèi)星上的EUV成像儀、日本KAGUYA上的EUV 望遠(yuǎn)鏡和中國(guó)CE-3 上的EUV 相機(jī)（Goldstein et al., 2000, 2003;He et al., 2011, 2013, 2016）.其中IMAGE 衛(wèi)星所搭載的EUV 獲取了第一批全球等離子體層圖像，直觀展示了等離子體層羽狀、槽區(qū)、肩狀、通道狀、指狀和細(xì)齒狀幾個(gè)典型的結(jié)構(gòu)（Darrouzet et al.,2009a）.第四類是根據(jù)就位探測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)推算電子密度.例如，許多研究利用THEMIS 衛(wèi)星上所搭載的電場(chǎng)儀器（electric field instrument, EFI）和靜電分析儀（electro-static analyzer, ESA）所測(cè)量的航天器電勢(shì)和電子熱速度，推斷出總電子密度（Li et al., 2010）.目前，基于該衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)已建立了多個(gè)等離子體層頂模型（Cho et al., 2015; Liu et al.,2015; Verbanac et al.,, 2015）.

基于以上衛(wèi)星探測(cè)數(shù)據(jù)，大量的研究結(jié)果均表明，地球等離子體層是非常動(dòng)態(tài)的，其結(jié)構(gòu)和組成在不同地磁活動(dòng)的影響下會(huì)發(fā)生顯著的變化.同時(shí)，近年來(lái)一系列研究成果對(duì)等離子層頂?shù)男纬?、等離子層內(nèi)部以及等離子層表面上存在各種大小和形狀的密度結(jié)構(gòu)、等離子層的填充和侵蝕過(guò)程都有了更為深入的解釋.本文結(jié)構(gòu)安排如下：在第1～4 節(jié)中，我們回顧了近年來(lái)等離子體層對(duì)地磁活動(dòng)響應(yīng)的研究成果、等離子體層中的波、頂部電離層和等離子體層電子含量變化規(guī)律以及等離子體層頂和等離子體層密度模型的發(fā)展.在第5 節(jié)中，我們提出了對(duì)等離子體層的研究工作中一些亟待解決的問(wèn)題.

1 等離子體層與地磁活動(dòng)

等離子體層是空間環(huán)境擾動(dòng)狀態(tài)的指示器，等離子體層的動(dòng)態(tài)分布變化是太陽(yáng)風(fēng)和磁層相互作用的結(jié)果.由太陽(yáng)日冕向外噴發(fā)的高速等離子會(huì)誘發(fā)磁層大尺度對(duì)流運(yùn)動(dòng)，引起磁層內(nèi)部各個(gè)區(qū)域擾動(dòng)，這其中也包括等離子體層（Burch et al., 2001;Frank, 1971; Kersley and Klobuchar, 1980; Li and Xu,2005）.等離子體層的大小和形狀隨地磁活動(dòng)的水平變化很大.等離子體層在地磁活動(dòng)水平增強(qiáng)期間迅速向低L值（L為漂移殼參數(shù)）區(qū)域收縮或侵蝕，并在恢復(fù)期間緩慢地增長(zhǎng)或重新填充（Gallagher et al., 2021）.

1.1 侵蝕與回填

質(zhì)量和空間分布是等離子體層最基本的屬性之一，Krall 等（2014）的研究表明，由于日照、電離層的不均勻結(jié)構(gòu)等一系列原因，電離層等離子體的流出增加了等離子體的含量.處于高緯度的等離子體外流和太陽(yáng)風(fēng)驅(qū)動(dòng)傳輸可能導(dǎo)致內(nèi)磁層等離子體層質(zhì)量增加（Gallagher and Comfort, 2016）.由于等離子體層與地球的近似共旋而產(chǎn)生的離心力以及磁場(chǎng)梯度不穩(wěn)定性也可能導(dǎo)致等離子體層向外漂移（André and Lemaire, 2006; Lemaire and Schunk,1992），有部分研究表明等離子體層不完全隨地球旋轉(zhuǎn)（Bespalov et al., 1996; Burch et al., 2004; Gallagher et al., 2005; Galvan et al., 2010; Huang et al.,2011）.然而，對(duì)等離子體層質(zhì)量和空間分布的理解受到我們測(cè)量其傳輸、填充、損耗及其分布的方式的影響，利用單或多顆衛(wèi)星都無(wú)法使用原位探測(cè)的方式跟蹤等離子體層和電離層之間物質(zhì)輸運(yùn)的方式，這無(wú)疑限制了我們對(duì)因流出和傳輸而引起的等離子體層密度變化的理解能力（Gallagher et al.,2021）.

目前的研究表明，等離子體層最初的侵蝕出現(xiàn)在午夜側(cè)附近（Gallagher and Adrian, 2007; Goldstein and Sandel, 2005）.在不同的MLT 區(qū)間上，等離子體的損失分布在不同磁地方時(shí)區(qū)間上，因此侵蝕的影響從初始位置以有限的速度傳播.對(duì)EUV /IMAGE 的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，所有侵蝕事件中都觀察到了這種傳播效應(yīng)（Goldstein and Sandel,2005）.此外，RPI / IMAGE 觀測(cè)結(jié)果還顯示了等離子體沿磁力線上的顯著損失.2004年，Reinisch等（2004）分析了2001年3月31日磁暴期間的觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，等離子體層通量管在不到14小時(shí)內(nèi)損失了超過(guò)66%的等離子體，并且在10 天內(nèi)發(fā)生了再填充（Reinisch et al., 2004）.通過(guò)對(duì)等離子層的質(zhì)量密度作為地方時(shí)函數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析，Chi 等（2013）發(fā)現(xiàn)，在研究的所有緯度中，午后的質(zhì)量密度都有所增加，且L= 2～3 區(qū)間上夜側(cè)密度會(huì)進(jìn)一步增加.利用LANL 和IMAGE 衛(wèi)星的觀測(cè)結(jié)果，Denton 和Borovsky（2014）證明地磁活動(dòng)的變化極大地影響了等離子體層羽及其鄰近區(qū)域的電子密度，但對(duì)質(zhì)量密度并沒(méi)有顯著影響.Kwon 等（2015）基于THEMIS 衛(wèi)星的電勢(shì)數(shù)據(jù)，對(duì)地磁活動(dòng)平靜期間等離子體層頂位置進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)研究.在地磁活動(dòng)平靜時(shí)，在黃昏區(qū)域觀察到輕微的等離子體層凸起，并且等離子體層頂幾乎延伸到所有MLT 區(qū)間上的地球同步軌道.這些結(jié)果證實(shí)了由對(duì)流和共轉(zhuǎn)電場(chǎng)的組合在全球驅(qū)動(dòng)的等離子體空間分布的一般情況.Bandi?等（2016）利用CRRES衛(wèi)星數(shù)據(jù)計(jì)算了不同地磁活動(dòng)水平下的等離子體層頂空間形狀在MLT 上的分布特征.他們發(fā)現(xiàn)，在較高的地磁活動(dòng)水平下，等離子體層在黃昏后具有最大的外部擴(kuò)展，并且對(duì)流電場(chǎng)的減少使這種擴(kuò)展轉(zhuǎn)向了午夜，這表明等離子體層頂是由交換不穩(wěn)定性運(yùn)動(dòng)機(jī)制形成的.

基于IMAGE 衛(wèi)星的極紫外成像儀（EUV）對(duì)He+的全球觀測(cè)，可以通過(guò)侵蝕和再填充時(shí)間的積分質(zhì)量來(lái)量化等離子體層的含量（Burch, 2000;Goldstein et al., 2019; Sandel et al., 2000; Sandel and Denton, 2007）.2019年基于RIMS / DE-1 數(shù)據(jù)，Goldstein等（2019）對(duì)冷的等離子體濃度對(duì)溫度的依賴性進(jìn)行了研究分析.如圖1 所示，發(fā)現(xiàn)冷H+和He+對(duì)溫度的依賴性非常弱，但較冷的O+濃度會(huì)隨著這些離子變暖而急劇增加（Goldstein et al.,2019）.Spasojevic 和Sandel（2010）計(jì)算了等離子體層He+的整體損失情況.另外，通過(guò)使用He+和H+數(shù)密度比值來(lái)估計(jì)從等離子體層中損失物質(zhì)的總量，并對(duì)總的質(zhì)量損失進(jìn)行了定量分析.2021年，Gallagher 等（2021）對(duì)等離子體層的侵蝕和回填進(jìn)行了全球范圍的考察，認(rèn)為磁暴期間等離子體層的損失類比為“呼吸”過(guò)程，在呼氣過(guò)程中等離子體會(huì)損失.在接下來(lái)的平靜期，會(huì)再次填充或吸入等離子體層.等離子體在平均等離子體層頂?shù)奈恢靡詢?nèi)約有22%～42%的侵蝕，在其以外約為35%～72%.在較低的太陽(yáng)活動(dòng)期間，發(fā)現(xiàn)更多的可變性和更高的再填充率.如圖2 所示，在對(duì)其質(zhì)量含量進(jìn)行了54 天的跟蹤后，只有第一次吸氣/呼氣是“深的”，其余部分則結(jié)轉(zhuǎn)了過(guò)去和持續(xù)活動(dòng)的后果，這阻礙了等離子體層的全面恢復(fù)（Gallagher et al., 2021）.

圖1 離子密度、溫度和組成比的統(tǒng)計(jì)分布，黑色粗實(shí)線為相應(yīng)L 位置觀測(cè)結(jié)果的中值和標(biāo)準(zhǔn)差（修改自Goldstein et al.,2019）Fig.1 Statistical distributions of ion density, temperature, and composition ratio.Thick black lines indicate per-L median and standard deviations (modified from Goldstein et al., 2019)

圖2 從2001年5月5日至2001年6月28日，約54 天的等離子體層總質(zhì)量含量與該時(shí)間段的地磁指數(shù)Dst 和Kp（修改自Gallagher et al., 2021）Fig.2 The total content of the inner plasmasphere (1.5≤ L ≤3.0) by mass is plotted for roughly 54 days from 2011-05-05 to 2001-06-28.Geomagnetic indices Dst and Kp are shown in the bottom panel (modified from Gallagher et al., 2021)

1.2 等離子體層羽與重聯(lián)

對(duì)流電場(chǎng)控制著等離子體層中粒子的運(yùn)動(dòng).在地磁活動(dòng)平靜時(shí)期對(duì)流電場(chǎng)較小，等離子體層可以延伸到超出地球同步軌道的區(qū)域上（～ 6.6RE）.在強(qiáng)地磁暴期間，對(duì)流電場(chǎng)增加，將等離子體層的外部區(qū)域侵蝕成羽狀結(jié)構(gòu)，該區(qū)域向日側(cè)磁層頂延伸，并在日側(cè)午后區(qū)域到達(dá)重聯(lián)點(diǎn).基于THEMIS 衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究，在12.5 %的穿越期間，等離子體層羽存在于日側(cè)的磁層頂.當(dāng)該結(jié)構(gòu)到達(dá)磁層頂時(shí)，它在磁地方時(shí)中最常見的位置是MLT =13.6.在日側(cè)重區(qū)域存在致密的冷的等離子體，這表明其可影響該區(qū)域等離子體的分布情況，從而影響重聯(lián)過(guò)程（Walsh et al., 2013）.

Toledo-Redondo 等（2016）分析了磁重聯(lián)事件期間日側(cè)磁層頂冷離子的觀測(cè)結(jié)果，這些離子被靠近重聯(lián)X 分界線區(qū)域內(nèi)的波和電場(chǎng)加熱.Zhang 等（2018）使用THEMIS 數(shù)據(jù)考察了磁層頂日下點(diǎn)附近等離子體層羽的起源，這些流入的冷等離子體可能已分別磁重聯(lián)區(qū)域內(nèi)的旋轉(zhuǎn)間斷和慢激波加速.基于模擬，Ouellette 等（2016）和Wang 等（2016）發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在日側(cè)磁層頂觀測(cè)到等離子體層羽時(shí)，重聯(lián)率顯著降低.基于MMS 衛(wèi)星的探測(cè)結(jié)果，F(xiàn)uselier 等（2016）試圖在昏側(cè)磁層頂附近尋找冷的等離子體.由于儀器探測(cè)能量的限制，他們并沒(méi)有檢測(cè)到來(lái)自等離子體層羽的冷的等離子體.所觀測(cè)到的離子對(duì)昏側(cè)磁層頂?shù)闹芈?lián)影響不大，主要是因?yàn)樗鼈兊拿芏容^低，對(duì)重聯(lián)區(qū)域的貢獻(xiàn)有限，僅有冷的致密的等離子體才有可能產(chǎn)生這種影響.Dargent 等（2020）模擬了等離子體層羽到達(dá)磁層頂?shù)倪^(guò)程，如圖3 所示.模擬分為了四個(gè)部分：初始不穩(wěn)定狀態(tài)、等離子體層羽到達(dá)磁層頂之前的穩(wěn)定狀態(tài)、等離子體層羽相互作用以及其被重聯(lián)區(qū)域完全吞沒(méi)后的穩(wěn)定狀態(tài).等離子體溫度的變化對(duì)磁重聯(lián)率沒(méi)有影響，平均而言，磁重聯(lián)率僅取決于總離子密度.

圖3 對(duì)重聯(lián)率依賴性的模擬.（a）對(duì)于重聯(lián)率的模擬；（b）用于歸一化重聯(lián)率的磁場(chǎng)和密度的漸進(jìn)值；（c）所有模擬時(shí)間的散點(diǎn)圖（修改自Dargent et al., 2020）Fig.3 (a) Reconnection rate R of the plume simulation.(b) Asymptotic values of magnetic field and density used to normalize the reconnection rate.(c) Scatter plot for all the times in the simulations (modified from Dargent et al., 2020)

2 等離子體層中的波

等離子體波動(dòng)是了解質(zhì)量和能量如何從磁尾轉(zhuǎn)移到等離子層、電離層并最終轉(zhuǎn)移到大氣的關(guān)鍵.小尺度波可以耗散能量并影響等離子體層的熱狀態(tài)，而大尺度波可以反映等離子體層的整體形態(tài)（Khazanov et al., 1996）.在等離子層中傳播的波與介質(zhì)中存在的帶電粒子相互作用，可以加速或減速它們.粒子也可以擴(kuò)散到損失錐中并沉降到較低的高度.反過(guò)來(lái)，波也可以被放大或衰減.在等離子體層中，發(fā)現(xiàn)了從幾mH 到MHz 的豐富的波.此外，它們還可以作為等離子體狀態(tài)和相關(guān)物理過(guò)程的有用診斷工具（Singh, 2010）.自1950年以來(lái)，地基和天基觀測(cè)收集了大量關(guān)于等離子體層中波的信息，并獲得了有關(guān)等離子體層特性和過(guò)程的寶貴信息（Lemaire et al., 1998）.低頻哨聲波是等離子體層中第一個(gè)被觀測(cè)到的波，其特征提供了等離子體層大部分的早期信息，如電子密度、通量管的總電子含量、電子通量的傳輸、通量管特性、大尺度電場(chǎng)特性、等離子體層整體的形狀和等離子體層頂位置信息等（Carpenter, 1963, 1966, 1970, 2004; Park,1972; Park et al., 1978; Singh A K and Singh R P,1999; Singh R P et al., 1998; Singh U P and Singh R P, 1997）.

2.1 等離子體層中的超低頻波

超低頻波是頻率在 1 mHz～1 Hz 之間的地磁脈動(dòng)，與地球磁層中其他波動(dòng)相比（例如，嘶聲波、合聲波、磁聲波等），超低頻波主要有以下三個(gè)特點(diǎn)：（1）頻率最低；（2）波長(zhǎng)最長(zhǎng)；（3）能量密度最大（Zong et al., 2017a）.這種大尺度的磁流體力學(xué)波在太陽(yáng)風(fēng)-磁層-電離層耦合中對(duì)物質(zhì)輸運(yùn)和能量傳遞起著關(guān)鍵作用（Ren and Zong, 2022）.大多理論都將等離子體層頂視為一個(gè)陡變的邊界，而等離子體層羽狀結(jié)構(gòu)的存在會(huì)使一定頻率范圍內(nèi)的超低頻波束縛在這一區(qū)域中（Lee and Kim, 1999;Liu et al., 2013; Menk et al., 2014）.Ren 等（2019）利用 VAP 衛(wèi)星共6年的觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析了超低頻波與低能電子相互作用發(fā)生的空間分布情況，發(fā)現(xiàn)在昏側(cè)的發(fā)生率明顯高于晨側(cè)，并且Pc 4-5 波段的波譜強(qiáng)度同樣呈現(xiàn)出晨昏不對(duì)稱性.Li 等（2017）進(jìn)一步分析了北斗衛(wèi)星搭載的電子能譜儀所得觀測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)這種區(qū)域性的超低頻波和共振能量電子的能譜色散一致性很好（Li et al., 2017）.Degeling等（2018）對(duì)對(duì)流電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的等離子體層羽狀結(jié)構(gòu)演化對(duì)超低頻波空間分布影響進(jìn)行了研究，其結(jié)果顯示在羽狀結(jié)構(gòu)還未出現(xiàn)的初始狀態(tài)下，超低頻波分布在晨昏兩側(cè)并且呈現(xiàn)對(duì)稱分布，隨著羽狀結(jié)構(gòu)的形成，超低頻波的分布呈現(xiàn)出了明顯的晨昏不對(duì)稱性.此外，共振能量電子的投擲角色散特征中也找到了局域性的超低頻波存在的證據(jù)（Hao et al.,2017; Zhao et al., 2020, 2021）.如圖4 所示，Zhao等（2021）利用VAP 衛(wèi)星在2013—2017年的觀測(cè)數(shù)據(jù)找到了一系列“條形”和“回旋鏢形”事件，利用其中投擲角色散的特征通過(guò)理論計(jì)算反向追溯漂移共振發(fā)生的區(qū)域.通過(guò)比較這些事件的源區(qū)和等離子體層羽狀區(qū)域的關(guān)系，可以看到大部分事件都發(fā)生在等離子體層羽狀結(jié)構(gòu)中，這也再次表明了超低頻波被羽狀結(jié)構(gòu)束縛的特征.

圖4 2015年4月4日，VAP 衛(wèi)星所觀測(cè)到的不同能量通道上的“回旋鏢形”色散特征，其起源與等離子體層羽的比較.（a-h）色散特征；（i）色散回溯結(jié)果，不同顏色代表不同的能量通道（修改自Zhao et al., 2021）Fig.4 "Boomerang-shaped" stripes on different energy channels observed by Van Allen Probes on April 4, 2015, and its origins compared with that of the plasmaspheric plume.(a-h) Show the "Boomerang-shaped" stripes on different energy channels; (i)Shows the solid and hollow circles represent the trace-back results from "boomerang-shaped" stripes observed by VAP-A and VAP-B, respectively (modified from Zhao et al., 2021)

2.2 等離子體層頂表面波

太陽(yáng)風(fēng)和行星際磁場(chǎng)在驅(qū)動(dòng)地球磁層能量耗散中扮演著決定性角色.當(dāng)行星際磁場(chǎng)具有南向分量時(shí)，太陽(yáng)風(fēng)物質(zhì)和能量就會(huì)進(jìn)入地球磁層，在其中對(duì)流，并最終釋放到電離層和高層大氣中，產(chǎn)生極光現(xiàn)象.在磁層中傳播的大部分電磁能量由超低頻波攜帶，并能耦合不同的等離子體區(qū)域.外源脈沖可在磁層頂附近激發(fā)表面波，由表面波引起的超低頻波可向內(nèi)傳播，并通過(guò)磁力線共振激發(fā)阿爾芬駐波（Pu and Kivelson, 1983）.2020年，He 等（2020）通過(guò)多衛(wèi)星觀測(cè)等離子體層頂?shù)谋砻娌?，發(fā)現(xiàn)當(dāng)環(huán)電流周期性注入擠壓陡峭的等離子層頂時(shí)，能夠形成等離子層頂表面波（PSW），散射能量粒子發(fā)生沉降從而產(chǎn)生鋸齒極光.圖5 展示了鋸齒極光的觀測(cè)證據(jù).利用FY-3D 衛(wèi)星5年的極光觀測(cè)統(tǒng)計(jì)了磁暴期間“鋸齒形”極光的發(fā)生率，發(fā)現(xiàn)其高達(dá)90%以上.等離子體層頂表面波可能在磁暴期間有著極高的發(fā)生率（He et al., 2020; Zhang et al., 2019）.該項(xiàng)工作的重要意義在于初步厘清了長(zhǎng)期以來(lái)關(guān)于PSW 和鋸齒極光的疑問(wèn)和爭(zhēng)論，發(fā)現(xiàn)了磁層內(nèi)波動(dòng)能量激發(fā)和傳播的新模式.

圖5 表面波（a、d-f、g-i）和關(guān)聯(lián)的鋸齒極光（b-c）的觀測(cè)證據(jù)（修改自He et al., 2020）Fig.5 Coordinated observations of PSW and associated SA on July 16, 2017 (modified from He et al., 2020)

2.3 超低頻波對(duì)等離子體層低能粒子的影響

行星際激波在磁層中引起的電場(chǎng)擾動(dòng)和磁場(chǎng)變化會(huì)對(duì)等離子體層產(chǎn)生非常顯著的影響（Samsonov et al., 2007; Yue et al., 2016; Zhang et al.,2012），等離子體層羽狀結(jié)構(gòu)在這種影響下密度會(huì)在幾分鐘內(nèi)從10 cm-3增加到100 cm-3（Zhang et al., 2012）.以往的研究主要關(guān)注超低頻波對(duì)輻射帶高能電子和環(huán)電流能量離子的影響（例如, Zong et al., 2007, 2009, 2012）.最近，Van Allen Probes 衛(wèi)星（Ren et al., 2017, 2018, 2019; Ren, 2019）和Cluster 衛(wèi)星（Zong et al., 2017b）的觀測(cè)表明超低頻波可通過(guò)漂移-彈跳共振加速等離子體層低能電子，MMS 衛(wèi)星觀測(cè)結(jié)果表明超低頻波通過(guò)E × B調(diào)制低能離子且將離子成分進(jìn)行區(qū)分，從而對(duì)磁層中低能離子的主要成分進(jìn)行探測(cè)（例如, Liu et al.,2019）.但目前關(guān)于地球磁層中超低頻波與低能粒子之間的相互作用研究還有很多問(wèn)題亟待解決，包括：（1）超低頻波對(duì)冷離子的影響是否顯著？其分布特征如何？（2）大尺度的超低頻波對(duì)等離子體波的激發(fā)和空間分布有多大的影響？主導(dǎo)機(jī)制有哪些？（3）超低頻波如何影響等離子體層中各類結(jié)構(gòu)的密度分布？（4）等離子體層頂表面波對(duì)內(nèi)磁層的動(dòng)力學(xué)過(guò)程有些影響？（5）磁層頂表面波或等離子基層羽狀結(jié)構(gòu)中束縛的超低頻波能否通過(guò)與低能粒子的相互作用影響磁層頂重聯(lián)過(guò)程等（Ren and Zong, 2022）.

3 頂部電離層及等離子體層電子含量的變化規(guī)律

電離層位于地球表面以上60 km 到1 000 km，其主要成分包括電子、O+、H+、He+以及其他微量的重離子，整體上呈現(xiàn)出電中性.通常，O+占到80%左右，但太陽(yáng)中的紫外和X 射線輻射導(dǎo)致的光化學(xué)過(guò)程變化也會(huì)使得其離子成分產(chǎn)生變化（Kelley, 1989），這也使得電離層總電子含量（TEC）會(huì)產(chǎn)生明顯的時(shí)空變化特征.地球等離子體層、電離層共同構(gòu)成了一個(gè)緊密耦合和相互作用的非線性系統(tǒng).等離子體層、電離層重疊區(qū)域中的等離子體包裹在地球磁場(chǎng)中，電場(chǎng)、電流、壓力梯度和波動(dòng)對(duì)該系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程都有很大影響.通過(guò)對(duì)等離子體層電子含量變化規(guī)律的研究，能夠加深我們對(duì)電離層與等離子體層之間所發(fā)生的各種動(dòng)力學(xué)耦合過(guò)程作用機(jī)制的理解.

3.1 頂部電離層及等離子體層電子含量的分布特征

衛(wèi)星導(dǎo)航、定位和授時(shí)以及遙感、遙測(cè)等誤差很重要的一個(gè)來(lái)源就是電波傳播路徑上的等離子體對(duì)電波的影響.這種誤差主要與電波傳播路徑上單位截面柱體里的積分電子含量（即通常所謂的總電子含量TEC）有關(guān).Yizengaw 等（2008）利用Jason-1 衛(wèi)星上的GPS 數(shù)據(jù)首次估計(jì)了等離子體層電子含量.通過(guò)統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)在夜間和太陽(yáng)活動(dòng)平靜期，等離子體層的電子含量占電離層和等離子體層總電子含量的相當(dāng)大比例，白天約為10%，晚上高達(dá)60%.在實(shí)際應(yīng)用中，由于GPS-TEC 測(cè)量時(shí)電波在等離子體層中的傳播路徑很長(zhǎng)，約3～6RE，等離子體層的電子含量仍占相當(dāng)大的比例，要獲得更為精確的傳播路徑上的電子密度，就需要考慮到等離子體層在其中的貢獻(xiàn)（Jin et al., 2021; Mishin and Burke, 2005; Pierrard and Voiculescu, 2011; Prol and Hoque, 2021; Thompson et al., 2009; Zhang et al.,2016, 2017）.2021年，Jin 等（2021）利用COSMIC 衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)頂部電離層及等離子體層的長(zhǎng)期變化進(jìn)行了研究.逐年的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明在不同的太陽(yáng)活動(dòng)背景條件下，等離子體層總電子含量（PTEC）有著明顯的地方時(shí)分布特征和季節(jié)變化特征，如圖6 所示.此外，根據(jù)PTEC 的長(zhǎng)期變化和F10.7 指數(shù)存在高度相關(guān)，特別是在白天地磁緯度高的地區(qū)，相關(guān)系數(shù)可以達(dá)到0.93（Jin et al.,2021）.

圖6 2007年1月至2017年12月的月均F10.7 指數(shù)和平均白天和夜間PTEC（修改自Jin et al., 2021）Fig.6 Monthly mean F10.7 index and mean daytime and nighttime PTEC from January 2007 to December 2017(modified from Jin et al., 2021)

3.2 對(duì)電離層模型的改進(jìn)

Zhang 等（2017）利用COSMIC 衛(wèi)星podTEC數(shù)據(jù)分析了頂部電離層及等離子體層電子含量變化特征并將其與IRI_Plas 模型進(jìn)行了對(duì)比研究.如圖7所示，頂部電離層及等離子體層電子含量隨地磁緯度的分布以及隨地方時(shí)、季節(jié)、太陽(yáng)活動(dòng)水平高低年產(chǎn)生不同程度上的變化.所觀測(cè)到的頂部電離層及等離子體層電子含量變化季節(jié)變化規(guī)律的上述經(jīng)度依賴特征并沒(méi)有在IRI _Plas 模型中得到體現(xiàn)；IRI_Plas 模型給出的值通常小于觀測(cè)得到的頂部電離層及等離子體層電子含量變化，尤其是在夜間.而且，IRI_Plas 模型給出的結(jié)果在低緯區(qū)域出現(xiàn)了不真實(shí)的“雙峰”結(jié)構(gòu)，而這種“雙峰”結(jié)構(gòu)并沒(méi)有出現(xiàn)在觀測(cè)結(jié)果中.這些結(jié)果為IRI_Plas 模型的改進(jìn)方向提供了參考價(jià)值（Zhang et al., 2017）.Kashcheyev 和Nava（2019）進(jìn)一步對(duì)NeQuick 2經(jīng)驗(yàn)電離層模型進(jìn)行了驗(yàn)證.通過(guò)將等離子體層電子密度與太陽(yáng)活動(dòng)水平、季節(jié)、當(dāng)?shù)貢r(shí)間和地磁緯度建立函數(shù)關(guān)系，表明NeQuick 2 模型低估了電離層頂部和等離子層電子含量，尤其是在上午時(shí)段.模型和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的差異最大的條件也已被確定并被認(rèn)為是未來(lái)模型改進(jìn)的指示.2021年，基于低軌衛(wèi)星上的GNSS 測(cè)量，Prol 和Hoque（2021）開發(fā)了一種三維模型方法來(lái)描述頂部電離層和等離子體層的電子密度.與NeQuick 相比，對(duì)頂部電離層和等離子體層有了更為準(zhǔn)確的描述：在800 km 處的電子密度方面有15%的改進(jìn)，在大多頂部電離層區(qū)域，不同太陽(yáng)活動(dòng)下有著26%～55%的改善.

圖7 2008年不同經(jīng)度觀測(cè)到的TPEC 的季節(jié)變化（修改自Zhang et al., 2017）Fig.7 Seasonal variation of the observed TPEC at different longitudes for 2008 (modified from Zhang et al., 2017)

4 等離子體層模型

等離子體層對(duì)內(nèi)磁層的很多物理過(guò)程很重要，其大小和形狀控制著等離子體層波的生成和傳播，并影響著波粒相互作用，從而極大地影響高能離子和電子在廣泛能量范圍內(nèi)的分布.等離子體層密度是空間天氣領(lǐng)域很多應(yīng)用的關(guān)鍵參數(shù)，例如航天器充電引起的航天器異常分析和對(duì)GPS 導(dǎo)航誤差的精確校準(zhǔn)等.因此，需要更為準(zhǔn)確地對(duì)等離子體層進(jìn)行建模，模擬不同空間天氣參量下等離子體層的分布特征，以便可以為上述應(yīng)用提供更好的支撐.

4.1 等離子體層頂模型

此前，用于確定等離子體空間位置的模型有兩類，包括基于物理的模型和基于統(tǒng)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?全球核心等離子體層模型可以用密度的徑向陡變梯度來(lái)對(duì)等離子體層頂進(jìn)行識(shí)別（He et al., 2013;Liemohn et al., 2004; Ober et al., 1997）.Pierrard 等（2009）詳細(xì)地回顧了基于物理的等離子體層模型.Verigin 等（2012）和Kotova 等（2015）基于物理對(duì)地球等離子體層密度進(jìn)行了重建，并在最后將等離子體層頂描述為了一個(gè)閉合的流線，但形狀分布更加準(zhǔn)確.這些模型增加了我們對(duì)等離子體層的物理理解.與此同時(shí)，很多基于統(tǒng)計(jì)的等離子體層頂位置分布模型也已被開發(fā).通常，這些模型都是用單參數(shù)或多參數(shù)擬合構(gòu)建的.例如，Carpenter 和Anderson（1992）基于Kp 指數(shù)，第一個(gè)提出了等離子體層頂距離地心的方程.根據(jù)這一體系，更多的空間天氣指數(shù)被使用以構(gòu)建等離子體層模型，如Dst、SYM-H、AE 等（Moldwin et al., 2002;O'Brien and Moldwin, 2003）.由于地球空間變化的直接驅(qū)動(dòng)因素是外部太陽(yáng)風(fēng)，因此很多研究將太陽(yáng)風(fēng)和行星際磁場(chǎng)（IMF）作為模型驅(qū)動(dòng)參數(shù)（例如,Bandi? et al., 2016; Cho et al., 2015; Larsen et al.,2007; Verbanac et al., 2015）.但這些模型大多是單參數(shù)驅(qū)動(dòng)的.之后，考慮到太陽(yáng)風(fēng)的直接驅(qū)動(dòng)以及磁暴/亞暴期間等離子體層的響應(yīng)，構(gòu)建了多參數(shù)驅(qū)動(dòng)模型.例如，Liu 等（2015）構(gòu)建了具有五個(gè)地磁指數(shù)（SYM-H、AL、AU、AE 和Kp）的MLT等離子體層頂空間位置模型.He 等（2017）基于多衛(wèi)星觀測(cè)結(jié)果構(gòu)建了一個(gè)龐大的等離子體層頂數(shù)據(jù)庫(kù)，并提出了一個(gè)全新的太陽(yáng)風(fēng)驅(qū)動(dòng)的全球動(dòng)態(tài)等離子體層頂模型（SWGDP）.該模型由太陽(yáng)風(fēng)參數(shù)和地磁指數(shù)驅(qū)動(dòng)，在所有MLT 區(qū)間上可平滑地描述等離子體層頂位置分布.

更多新技術(shù)的加入讓等離子體層頂模型從二維擴(kuò)展到了三維.Zheng 等（2019）基于反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開發(fā)了三維等離子體層頂分布模型.作為第一個(gè)三維等離子體層頂經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，該模型?duì)應(yīng)于真實(shí)的等離子層頂結(jié)構(gòu)，并可輸入?yún)?shù)來(lái)進(jìn)行等離子體層頂位形的預(yù)報(bào)，具有很高的空間天氣應(yīng)用價(jià)值.模型對(duì)輸入?yún)?shù)、時(shí)間、季節(jié)和年份高度敏感.圖8 顯示了該模型與THEMIS 衛(wèi)星穿越等離子體層實(shí)際位置的比較結(jié)果，模型與觀測(cè)結(jié)果具有很強(qiáng)的一致性.與以往的模型相比，該模型可以提供更準(zhǔn)確的等離子體層頂位置，也可以作為開發(fā)其他模型如全球等離子體層密度模型的基礎(chǔ)參考.

圖8 THEMIS 衛(wèi)星的12 次等離子體層頂穿越事件，黑點(diǎn)代表真實(shí)穿越位置，藍(lán)線代表衛(wèi)星軌道（修改自Zheng et al., 2019）Fig.8 Twelve crossing events of THEMIS satellites.The black spot in each picture indicates the true crossing position and the blue line denotes the orbit (modified from Zheng et al., 2019)

4.2 等離子體層密度分布模型

近幾十年來(lái)，已經(jīng)開發(fā)了許多基于物理和經(jīng)驗(yàn)的等離子體層密度分布模型，其可分為以下三類：磁赤道等離子體層電子密度分布模型（Berube et al., 2005; Carpenter and Anderson, 1992; Chu et al.,2017a; Sheeley et al., 2001; Zhelavskaya et al., 2017,2021）、場(chǎng)向密度分布模型（Huang et al., 2004;Ozhogin et al., 2012; Tu et al., 2006）和全球等離子體層電子密度分布模型（Chu et al., 2017b; Gallagher et al., 2000）.

Carpenter 和 Anderson（ 1992）、 Sheeley 等（2001）使用等離子體層密度觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均研究，并建立了粒子密度隨L值變化的模型.Carpenter 和Anderson（CA）模型是基于國(guó)際日地探測(cè)器（ISEE-1）掃頻接收機(jī)（SFR）觀測(cè)數(shù)據(jù)的等離子體層穩(wěn)態(tài)電子密度分布模型，其空間覆蓋范圍為2.25 ＜L＜ 8.CA 模型采用了分段方式重建了MLT = 0—6 和MLT = 6—15 磁地方時(shí)范圍內(nèi)的磁赤道面上等離子體層電子密度分布.與CA 模型相比，Sheeley 模型僅使用一個(gè)函數(shù)映射所有磁地方時(shí)，其范圍覆蓋了3.0 ≤L≤ 7.0.Gallagher 等（2000）開發(fā)了全球核心等離子體模型（GCPM），其利用幾個(gè)過(guò)渡方程將幾個(gè)之前開發(fā)的模型（Carpenter and Anderson, 1992; Gallagher et al., 1998）進(jìn)行了結(jié)合，以提供更為全面的內(nèi)磁層等離子體密度分布描述.與此同時(shí)，IMAGE 的探測(cè)結(jié)果促進(jìn)了場(chǎng)向模型的建立.IMAGE 搭載的無(wú)線電等離子體成像儀（RPI）可以發(fā)射和接收從3 kHz 到3 MHz 的波（Burley et al., 2000; Reinisch et al., 2000）.通過(guò)掃描和傳輸不同頻率的波，可以在很短的時(shí)間內(nèi)獲得同一磁力線上的大量電子密度數(shù)據(jù)，這有助于我們精確地建立等離子體層場(chǎng)向模型.基于IMAGE 探測(cè)數(shù)據(jù)，Huang 等（2004）和Tu 等（2006）建立了徑向二維電子密度分布模型.此外，在動(dòng)態(tài)模型方面，基于磁通管對(duì)流理論，Ober 等（1997）建立了動(dòng)態(tài)全球核心等離子體層模型（DGCPM）.在不同太陽(yáng)風(fēng)和地磁活動(dòng)參數(shù)的驅(qū)動(dòng)下，考慮了通量管體積變化和電離層和等離子體層離子含量變化引起的對(duì)流再填充效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)磁赤道面上等離子體層密度分布的計(jì)算.近5年來(lái)，許多新技術(shù)的加入極大地推動(dòng)了等離子體層模型的發(fā)展.如圖9 所示，Chu 等（2017a, 2017b）基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，利用多顆衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)磁赤道面上的等離子體層電子密度分布和三維動(dòng)態(tài)等離子體層密度分布進(jìn)行建模，并提出了DEN3D 模型，其很好地模擬了等離子體層在磁暴期間的一般動(dòng)態(tài)特征.此外，Zhelavskaya 等（2017, 2021）將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法與基于物理的等離子體層電子密度分布模型相結(jié)合，提出了PINE 模型.圖10 展示了2016年7月至2018年1月期間，Zhelavskaya 等（2021）的離子體層同化模型和VAP-A 觀測(cè)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期比較結(jié)果，表明其具有良好的定量性能，并且很好地再現(xiàn)了等離子體層的一般動(dòng)態(tài)特征.

圖9 2013年6月1日發(fā)生的地磁暴期間DEN3D 模型的電子密度剖面情況.上圖顯示了SYM-H 指數(shù)（紅色）和AL 指數(shù)的絕對(duì)值（藍(lán)色）（修改自Chu et al., 2017b）Fig.9 Overview of electron density profiles along magnetic field lines during a geomagnetic storm that occurred on June 1, 2013.The figure on top shows the SYM-H index (red) and absolute values of the AL index (blue).The four contours show the fieldaligned density profiles in the noon-midnight meridian plane modeled by the DEN3D model.The four times are indicated by the vertical dashed lines (modified from Chu et al., 2017b)

圖10 2016年7月至2018年1月期間，離子體層同化模型和VAP-A 觀測(cè)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期比較（修改自Zhelavskaya et al., 2021）Fig.10 Long-term comparison of the assimilative model and RBSP-A density measurements during July 2016 to January 2018 (modified from Zhelavskaya et al., 2021)

然而，應(yīng)該注意的是，CA 模型中的槽密度和Sheeley 模型中的等離子體層和槽密度是L和MLT的函數(shù)，它們與地磁活動(dòng)無(wú)關(guān).CA 模型的等離子體層密度的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)考慮了太陽(yáng)周期效應(yīng)，但這意味著模型輸出的等離子體層密度僅依賴于幾個(gè)月的長(zhǎng)時(shí)間尺度（半年變化和太陽(yáng)周期），無(wú)法描述等離子體層隨著更多空間天氣參量的動(dòng)態(tài)變化特征（Chu et al., 2017a）.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的模型的性能在很大程度上取決于訓(xùn)練數(shù)據(jù)的可用性.當(dāng)數(shù)據(jù)覆蓋范圍有限或不存在時(shí)，不可能從有限數(shù)量的示例中學(xué)習(xí)（例如在地磁暴期間）.這時(shí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的性能將顯著降低，基于觀測(cè)數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯⒏臃€(wěn)定（Chen et al., 2019; Zhelavskaya et al.,2021）.

5 總結(jié)和展望

本文對(duì)等離子體層對(duì)地磁活動(dòng)的響應(yīng)、等離子體層中的波、頂部電離層及等離子體層電子含量的變化規(guī)律和等離子體層模型這四個(gè)方面的研究?jī)?nèi)容進(jìn)行了回顧.這些工作集中展示了等離子體層在不同太陽(yáng)風(fēng)、地磁活動(dòng)條件下地球等離子體層的動(dòng)態(tài)特征，這也說(shuō)明了由太陽(yáng)風(fēng)磁層相互作用是等離子體層對(duì)地磁擾動(dòng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的關(guān)鍵.總體上來(lái)看，對(duì)流增強(qiáng)造成的等離子體層侵蝕的早期假設(shè)已經(jīng)通過(guò)觀測(cè)數(shù)據(jù)得到了證實(shí)，但是等離子體層羽狀結(jié)構(gòu)形成背后的物質(zhì)輸運(yùn)特征仍需要被更廣泛和深入地研究.地磁擾動(dòng)期間，等離子體層-電離層或等離子體層-磁層之間的等離子體交換機(jī)制仍需要明確.此外，等離子體層表面波的假設(shè)在近些年來(lái)得到了證實(shí)，其驅(qū)動(dòng)的“鋸齒極光”在磁暴期間發(fā)生率高達(dá)90%，表明這一物理過(guò)程是磁暴期間的普遍現(xiàn)象，對(duì)磁層空間的能量輸運(yùn)產(chǎn)生關(guān)鍵影響.隨著掩星探測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)頂部電離層的研究將逐漸增多.頂部電離層及等離子體層電子含量的長(zhǎng)周期變化規(guī)律已經(jīng)明確，更多的動(dòng)態(tài)定量變化規(guī)律在未來(lái)會(huì)被揭曉.與此同時(shí)，利用更多新技術(shù)，等離子體層模型得到了更好地發(fā)展.相較于以往的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，基于神?jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的等離子體層密度模型更加動(dòng)態(tài)和準(zhǔn)確，但對(duì)于極端地磁條件下等離子體層電子密度的預(yù)測(cè)能力仍需完善.

除此之外，在對(duì)等離子體層的研究上，仍有很多問(wèn)題亟待解決，包括：（1）等離子層中的等離子體在磁層中是如何輸運(yùn)的？有多少是通過(guò)磁層頂重聯(lián)進(jìn)入磁鞘并在太陽(yáng)風(fēng)中損失？在重聯(lián)的過(guò)程中，有多少等離子體因此被磁尾所捕獲？這些等離子體是否可以被加速并且成為內(nèi)磁層區(qū)域中粒子的一部分？（2）等離子體層和電離層之間的定量輸運(yùn)情況是什么樣的，其全球分布特征有何特點(diǎn)？等離子體層-電離層物質(zhì)輸運(yùn)的損失對(duì)太陽(yáng)風(fēng)地磁活動(dòng)的響應(yīng)是如何的？不同緯度電離層-等離子體層耦合的動(dòng)力學(xué)差異和輸運(yùn)機(jī)制是什么？不同成分的離子是變化特征是什么？（3）熱層是如何影響等離子體層的填充的？在填充過(guò)程中的物理過(guò)程如何隨著填充過(guò)程的進(jìn)展而發(fā)生變化？（4）等離子體層中離子質(zhì)量的作用是什么，在填充過(guò)程中該是如何變化的？具有不同起源和性質(zhì)的等離子體以及所涉及的各種過(guò)程是否混淆了我們對(duì)等離子體層填充的理解？（5）等離子體層頂?shù)奶厥饨Y(jié)構(gòu)的激發(fā)和傳播機(jī)制是什么？ 等離子體層頂對(duì)等離子層頂表面波波長(zhǎng)和振幅特征的調(diào)控能否被更進(jìn)一步地闡述？等離子體層的典型結(jié)構(gòu)是否都可以被很好地解釋？