近日，山东大学攀登计划创新团队在地球磁层曲率散射研究方面取得新进展，成果以“Field Line Curvature (FLC) Scattering in the Dayside Off-Equatorial Minima Regions”为题被Journal of Geophysical Research: Space Physics期刊接受发表。山东大学前沿交叉科学青岛研究院空间天文物理融合研究中心博士后蔡彬为第一作者，朱辉教授为通讯作者。

地球磁层能够稳定捕获大量带电粒子，这些带电粒子能量跨越数个量级。其中，围绕地球西向漂移运动的能量范围在数keV到百keV的离子（H⁺，He⁺，O⁺等）称为环电流。环电流的强度直接影响地球表面磁场的水平分量（由Dst指数表征）。在地球磁暴的恢复相期间，环电流强度快速降低，环电流损失过程占据主导地位。

在影响环电流损失的诸多机制中，磁力线曲率散射（field line curvature scattering）逐渐受到更多关注。当带电粒子的回旋半径与磁力线的曲率半径相当时，带电粒子的第一绝热不变量不再守恒，这个绝热性被破坏的过程被称为磁力线曲率散射。近年的研究发现，曲率散射机制对粒子投掷角散射的作用十分显著，其对应的扩散系数甚至可以超过波粒相互作用。然而，以往的研究往往只关注在夜侧磁层的曲率散射对环电流的影响。对于磁场位形显著不同于夜侧的日侧磁层，曲率散射机制是否发挥作用，在其影响下的环电流损失速率如何，这些问题需要我们开展新的研究。

图1：第一行：Kp指数分别为1，3和6时，磁场强度极小值数目在Z=0平面上的分布；第二行：磁场双极小值区域（对应第一行红色区域）中磁力线的磁场强度随纬度变化的函数关系。

为此，本工作在地球真实磁场模型下，通过理论分析和数值计算研究了日侧磁层中的曲率散射对环电流质子的影响，特别是在日侧磁层远离赤道处的磁场双极小值区域（图1）。我们计算得到了不同地磁活动条件（以Kp指数表征）下的单一极小值区域、双极小值区域，质子绝热系数以及受曲率散射影响的质子投掷角扩散系数的空间分布。结果表明，曲率散射不仅对日侧磁层的黄昏和黎明侧有显著影响，而且对正午侧远离赤道处的磁场双极小值区域也有显著影响。

图2：在不同偶极子倾角条件下，地球日侧磁层的质子绝热系数（第一行）和曲率散射影响下的投掷角扩散系数（第二行）的分布。

另外，在日侧远离赤道处的双极小值区域，曲率散射对环电流质子的散射影响表现出明显的南北半球不对称性。我们的计算发现，日侧曲率散射的半球不对称性是由磁轴相对于太阳的倾斜（由偶极子倾角表征）引起的。在相同的Kp条件下，磁轴越倾斜（偶极子倾角绝对值越大），日侧远离赤道处双磁场极小值区域的曲率散射越强、范围越广（图2）。

本研究重点关注被忽视的地球日侧磁层远离赤道处的磁场极小值区域，其研究结果有助于加深我们对地球日侧磁层曲率散射机制的理解，对构建更准确的磁层粒子动力学模型具有参考和借鉴意义。

本研究工作得到了国家自然科学基金和山东省自然科学基金的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1029/2024JA032551