2005 年 1 月 21 日磁暴期间极度压缩磁层的异常动力学

本文分析了 2005 年 1 月 21 日异常磁暴期间向日侧磁层和质子辐射带的动力学。我们发现，在 1712 至 2400 UT 的磁暴期间，由于强烈压缩，日下点磁层顶持续位于地球同步轨道以内。在 1846 至 2035 UT 期间，压缩极为强烈，此时快速爆发的 filament 产生的稠密等离子体使太阳风动压 $P_d$ 峰值超过 100 nPa，并且首次观测到上游太阳风在地球同步轨道持续了近 2 小时。在极度压缩下，$L > 5$ 的外磁层被向内推挤，能量为数十 keV 的外辐射带粒子向地球方向移动，经历绝热加速并在 $L < 4$ 的内磁层积聚，从而产生了具有异常长寿命的增强环电流。我们将观测结果与各种经验模型和第一性原理模型的预测进行了比较。所有模型均未能预测极度压缩下的磁层动力学，此时估算的最小磁层顶距离约为 $3~R_e$。模型预测与观测之间的不一致可能源于极端日球层条件对等离子体测量的扭曲，这些条件包括极快的太阳风流（约 1000 km/s）和强烈的太阳高能粒子通量。我们推测，如果假设太阳风中的 He 丰度大于 20%（这非常适用于爆发的 filament，并与 Cluster 测量获得的 He/H 比率上限 27% 阈值一致），则模型能够很好地描述磁层的异常动力学。