地球環(huán)電流動(dòng)力學(xué)過程研究

莊 雁，樂 超

北京大學(xué) 空間物理與應(yīng)用技術(shù)研究所，北京 100871

0 引言

地球環(huán)電流是近地空間非常重要的電流體系，它的增強(qiáng)會(huì)造成地球表面磁場(chǎng)的整體減小.地球表面磁場(chǎng)的負(fù)偏擾被定義為Dst 指數(shù)，這是定義地球磁暴大小和空間天氣情況最直接的指標(biāo).因此，研究地球內(nèi)磁層環(huán)電流的動(dòng)態(tài)變化有助于理解地球磁暴的產(chǎn)生和演化.環(huán)電流主要是由被捕獲在赤道面區(qū)域2～7 個(gè)地球半徑、能量從幾keV 到幾百keV的離子貢獻(xiàn)的，主要包括氫離子（H+）、氦離子（He+）和氧離子（O+）.每種離子成分對(duì)環(huán)電流的貢獻(xiàn)可以通過等離子體壓強(qiáng)來量化.在平靜時(shí)期，環(huán)電流壓強(qiáng)主要由H+離子控制.然而，在地磁活躍時(shí)期，環(huán)電流增強(qiáng)，O+離子對(duì)環(huán)電流等離子體壓強(qiáng)的貢獻(xiàn)顯著增加，有時(shí)甚至起主導(dǎo)作用（Forster et al.,2013; Claudepierre et al.,2016; Yue et al.,2018;2019a）.局地觀測(cè)和模擬研究（Daglis et al.,1999;Fok et al.,2001; Denton et al.,2005; Ebihara et al.,2006; Yue et al.,2011; Claudepierre et al.,2016;Kistler et al.,2016）證實(shí)了來自地球電離層的O+離子在地磁活躍期對(duì)地球內(nèi)磁層的等離子體壓強(qiáng)有顯著貢獻(xiàn).這種成分的變化可能影響粒子的多個(gè)動(dòng)力學(xué)過程，如粒子的輸運(yùn)和電荷交換損失、電磁波的激發(fā)和傳播、投擲角散射引起的環(huán)電流損失、磁層不穩(wěn)定性以及磁層頂磁重聯(lián)等（Fok et al.,1991;Summers et al.,2007; Yu et al.,2013a,2013b; Zhang et al.,2016,2020）.

眾所周知，內(nèi)磁層中的等離子體是由電場(chǎng)和磁場(chǎng)調(diào)控的.大尺度的電場(chǎng)，包括對(duì)流電場(chǎng)和共轉(zhuǎn)電場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)帶電粒子（離子和電子）向東漂移.電場(chǎng)漂移速度的大小與粒子能量無關(guān)，只與電場(chǎng)和磁場(chǎng)強(qiáng)度相關(guān).同時(shí)，由于地球磁層中磁場(chǎng)的不均勻性，具有一定能量的粒子存在磁場(chǎng)的梯度和曲率漂移.磁漂方向與電荷的正負(fù)相關(guān)，離子向西漂移而電子向東漂移，并且漂移速度與粒子能量相關(guān).一般來說，低能粒子的運(yùn)動(dòng)主要遵循電場(chǎng)漂移，而高能粒子主要遵循磁場(chǎng)漂移（Yue et al.,2017）.

地球內(nèi)磁層的粒子主要從磁尾等離子體片注入或者直接從電離層進(jìn)入內(nèi)磁層（Chappell et al.,1987,2000,2008; Delcourt et al.,1992; Sheldon et al.,1998; Huddleston et al.,2005; Kronberg et al.,2014;Keika et al.,2016,2018; Gkioulidou et al.,2019; Yue et al.,2020）.在這些傳輸過程中，粒子可以通過大尺度對(duì)流電場(chǎng)的絕熱輸運(yùn)或中尺度脈沖電場(chǎng)的非絕熱加速以及波粒相互作用獲得能量（Yang et al.,2011; Zhou et al.,2012; Zong et al.,2012; Keika et al.,2013），同時(shí)會(huì)造成環(huán)電流的增強(qiáng)（Yang et al.,2015,2016）.當(dāng)?shù)卮呕顒?dòng)減弱時(shí)，這些粒子（特別是O+離子）由于庫侖碰撞和與地冕的電荷交換（ Fok et al.,1991; Daglis et al.,1999）以及電磁離子回旋（EMIC）波引起的投擲角散射（Kennel and Petschek,1966; Jordanova et al.,1997; Meredith et al.,2003; Jordanova,2007; Shreedevi et al.,2021）或電流片散射（Sergeev and Tsyganenko,1982; Sergeev et al.,1983,1993; Donovan et al.,2003; Liang et al.,2014; Yue et al.,2014; Yu et al.2020）被損失，從而導(dǎo)致環(huán)電流衰減到平靜期的水平.

本文主要介紹不同成分的離子，特別是氧離子對(duì)環(huán)電流的貢獻(xiàn).同時(shí)通過數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果的對(duì)比，強(qiáng)調(diào)電荷交換是環(huán)電流在磁暴恢復(fù)相期間損失的主要機(jī)制.

1 同步軌道內(nèi)不同成分的粒子對(duì)環(huán)電流的貢獻(xiàn)

環(huán)電流壓強(qiáng)主要由氫離子（H+）、氧離子（O+）、氦離子（He+）和電子組成.內(nèi)磁層中環(huán)電流離子空間結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化是了解環(huán)電流壓強(qiáng)變化的關(guān)鍵，然而前人的研究主要集中在地球同步軌道或更遠(yuǎn)的軌道上（Fu et al.,2001; Liu et al.,2005;Forster et al.,2013; Maggiolo and Kistler,2014;Kistler and Mouikis,2016），主要是因?yàn)闃O少有衛(wèi)星在環(huán)電流主要存在的區(qū)域——地球同步軌道以內(nèi)的赤道面區(qū)域進(jìn)行原位探測(cè)并有足夠的空間和能量覆蓋.范艾倫探測(cè)器在2012 年8 月底發(fā)射上天以后，主要在近地的赤道面進(jìn)行探測(cè)，是研究地球環(huán)電流動(dòng)態(tài)變化過程的理想觀測(cè)衛(wèi)星，它能夠幫助我們了解環(huán)電流中不同種類粒子的空間分布以及它們對(duì)環(huán)電流的相對(duì)貢獻(xiàn).Zhao 等（2015）研究了地球磁暴過程中環(huán)電流離子能量密度和總的環(huán)電流能量的變化情況.他們發(fā)現(xiàn)在磁暴主相期間，能量小于50 keV 的離子比能量更高的離子對(duì)環(huán)電流有更顯著的貢獻(xiàn)，而高能質(zhì)子在恢復(fù)階段和平靜時(shí)期都占主導(dǎo)地位.Denton 等（2017）調(diào)查了54 個(gè)從平靜期到磁暴期間的事件和21 個(gè)從地磁活動(dòng)到平靜期的事件，發(fā)現(xiàn)在從平靜期到磁暴期間的轉(zhuǎn)變過程中，H+離子是等離子體片中的主導(dǎo)離子，而重離子（O+和He+）在內(nèi)磁層變得越來越重要.在較長(zhǎng)的平靜時(shí)間內(nèi)，由于電荷交換作用導(dǎo)致H+離子的損失比O+或He+離子更快.Fernandes 等（2017）進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)研究，發(fā)現(xiàn)0.1～30 keV O+/H+通量比在L> 5 時(shí)隨Kp 增加而增加，而在L< 5 時(shí)，O+/H+通量比值隨Kp 的增大而減小.

雖然之前的研究提出了在不同地磁擾動(dòng)的驅(qū)動(dòng)下離子成分變化的重要特征，但是他們的研究要么只關(guān)注一個(gè)特定能量范圍的等離子體群，如等離子體層或環(huán)電流粒子（Denton et al.,2017; Jahn et al.,2017），要么僅限于特定MLT 的個(gè)例研究（Zhao et al.,2015）.正如之前Yue 等（2017）的研究所示，不同粒子群的行為是不同的.為了全面了解地球同步軌道以內(nèi)等離子體壓強(qiáng)的空間分布，以及不同地磁活動(dòng)條件下不同能量的各類粒子對(duì)環(huán)電流的相對(duì)貢獻(xiàn)，Yue 等（2018）通過使用范艾倫探測(cè)器上的HOPE 和RBSPICE 儀器的數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)研究.結(jié)合這兩個(gè)儀器的數(shù)據(jù)，Yue 等（2018）分析了從1 eV～1 MeV 的離子和從15 eV～1 MeV 的電子對(duì)地球同步軌道以內(nèi)的等離子體壓強(qiáng)的貢獻(xiàn).

圖1 顯示了兩個(gè)AE 范圍（AE<100 nT 和AE>300 nT）等離子體壓強(qiáng)中值的統(tǒng)計(jì)分布以及赤道面上不同種類粒子的相對(duì)貢獻(xiàn)情況.圖中的黑線是等離子體層頂?shù)奈恢茫x為電子數(shù)密度中值為80 cm?3的點(diǎn).圖1a、1b 從上到下分別描繪了H+、O+、He+離子和電子的壓強(qiáng).如圖所示，在夜間AE水平較高的時(shí)期，等離子體層被侵蝕，H+、O+、He+離子和電子的壓強(qiáng)都有顯著增加，H+離子壓強(qiáng)在等離子體層內(nèi)占主導(dǎo)地位，等離子體層頂外的O+、He+離子和電子壓強(qiáng)高于等離子體層內(nèi)的壓強(qiáng).這可能是由于在高AE 期間，對(duì)流電場(chǎng)增強(qiáng)，離子可以滲透到較低的L 殼層，導(dǎo)致觀測(cè)到更強(qiáng)的壓強(qiáng).此外，我們還觀察到強(qiáng)烈的晨昏不對(duì)稱性，離子壓強(qiáng)在黃昏至午夜后達(dá)到峰值，而電子壓強(qiáng)在午夜前至黎明處達(dá)到峰值.Kronberg 等（2015）基于7 年的Cluster 觀測(cè)建立了高能質(zhì)子和O+離子（>274 keV）的空間分布，也報(bào)道了這種離子壓強(qiáng)的晨昏不對(duì)稱性.圖2c、2d 展示了不同成分的粒子對(duì)等離子體壓強(qiáng)的相對(duì)貢獻(xiàn)（從上到下分別是H+、O+、He+離子以及電子對(duì)環(huán)電流的相對(duì)貢獻(xiàn)，即不同粒子的等離子體分壓與等離子體總壓強(qiáng)的比值）.不論是在平靜時(shí)期還是活躍時(shí)期，H+離子都是等離子體總壓強(qiáng)的主要貢獻(xiàn)者.其中，在平靜時(shí)期，H+離子在等離子體層內(nèi)對(duì)等離子體總壓強(qiáng)的相對(duì)貢獻(xiàn)>90%，等離子體層外>70%；在活躍時(shí)期，H+離子在等離子體層內(nèi)對(duì)等離子體總壓強(qiáng)的相對(duì)貢獻(xiàn)>80%，等離子體層外>60%.同時(shí)，由于在日側(cè)，其他種類粒子的貢獻(xiàn)較小，H+離子在日側(cè)對(duì)等離子體總壓強(qiáng)的相對(duì)貢獻(xiàn)大于夜側(cè)的相對(duì)貢獻(xiàn).此外，在夜側(cè)、等離子體層外的高L值處，O+離子和電子從平靜時(shí)期到活躍時(shí)期對(duì)等離子體總壓強(qiáng)的相對(duì)貢獻(xiàn)也從～10%和～5%分別增加到25%和20%，然而，He+離子的貢獻(xiàn)在地磁活躍和平靜時(shí)間幾乎沒有變化.

圖2 在兩種O+離子和H+離子壓強(qiáng)比的條件下，O+離子和等離子體總壓強(qiáng)隨著sym-H 和 L 值變化的統(tǒng)計(jì)結(jié)果.（a～d）Po/PH >0.35；（e～h）Po/PH <0.15，同時(shí)滿足PH>0.5 nPa，Po>0.1 nPa 以及磁地方時(shí)（MLT）從中午到午夜，以確保O+離子分壓和等離子體總壓強(qiáng)明顯高于噪音水平以及測(cè)量范圍在主要的環(huán)電流區(qū)域.從上到下是"概率"（a，e），定義為R>0.35 或R<0.15 條件下，衛(wèi)星累積時(shí)間相對(duì)于沒有任何R 限制的總累積時(shí)間的比率，（b，f）O+離子和H+離子壓強(qiáng)比R；（c，g）O+離子壓強(qiáng)的中值；（d，h）等離子體總壓強(qiáng).Pt：等離子體總壓強(qiáng)（修改自Yue et al.,2019a）Fig.2 The statistical distributions of O+ and total plasma pressures as functions of sym-H and L shells under two levels of pressure ratio between O+ and H+.(a～d) Po/PH > 0.35 and (e～h) Po/PH < 0.15 with the condition of PH > 0.5 nPa and Po > 0.1 nPa and magnetic local time (MLT) from noon to midnight to ensure that the oxygen and total plasma pressures are significantly above the noise level and to make sure the measurements are taken in the dominant ring current region.(a,e) The panels from top to bottom are "probability",which is defined as the ratio of satellite cumulative time under the condition of R > 0.35 or R <0.15 relative to the total cumulative time without any R limitation,(b,f) R,(c,g) the median values of O+ pressure and (d,h)total plasma pressure (modified from Yue et al.,2019a)

2 氧離子對(duì)環(huán)電流的貢獻(xiàn)

對(duì)O+離子豐度的測(cè)量提供了地磁平靜和活躍時(shí)期環(huán)電流動(dòng)力學(xué)的重要線索.前人的研究大多都是地球同步軌道以外的或者是通過個(gè)例分析來描述O+離子動(dòng)力學(xué)過程對(duì)環(huán)電流的影響（Gloeckler et al.,1985; Mitchell et al.,2003; Kronberg et al.,2015; Kistler and Mouikis,2016），很少有統(tǒng)計(jì)研究系統(tǒng)地分析地磁活躍時(shí)期環(huán)電流處（赤道附近、L<7 處）O+離子的動(dòng)力學(xué)情況（Keika et al.,2016;Kistler and Mouikis,2016; Kistler et al.,2016;Fernandes et al.,2017; Valek et al.,2018）.這主要是因?yàn)橹昂苌儆行l(wèi)星能夠長(zhǎng)期在內(nèi)磁層磁赤道附近實(shí)現(xiàn)對(duì)O+離子高時(shí)間分辨率、寬能量覆蓋和廣空間覆蓋的測(cè)量.為了深入理解等離子體動(dòng)力學(xué)與相關(guān)的波動(dòng)現(xiàn)象（如地磁活動(dòng)變化時(shí)地球內(nèi)磁層粒子的來源和損失過程），Yue 等（2019a）對(duì)O+離子的行為進(jìn)行了系統(tǒng)研究.

圖2 顯示了兩類情況下（有氧離子和無氧離子）等離子體壓強(qiáng)隨著sym-H 和L值變化的統(tǒng)計(jì)分布情況.這里把數(shù)據(jù)分成兩類，以研究O+離子的行為如何影響內(nèi)磁層等離子體的動(dòng)力學(xué)：（1）O+離子壓強(qiáng)是等離子體總壓強(qiáng)的重要組成部分，表現(xiàn)為O+離子與H+離子的壓強(qiáng)比（R=Po/PH）>0.35；（2）O+離子壓強(qiáng)是等離子體總壓強(qiáng)的次要組成部分，表現(xiàn)為R<0.15.如圖2a 所示，當(dāng)sym-H 較低時(shí)，觀測(cè)到R> 0.35 事件的概率要高得多，特別是當(dāng)sym-H < ?60 nT 時(shí)，該概率在所有L 殼層下都高于80%，而且比率R本身大于0.8，在L< 3 時(shí)甚至大于1（圖2b）.這表明，當(dāng)sym-H < ?60 nT 時(shí)，O+離子對(duì)環(huán)電流的貢獻(xiàn)與H+離子相當(dāng)（R> 0.8），無一例外.另一方面，在O+離子幾乎不貢獻(xiàn)環(huán)電流壓強(qiáng)的情況下（R< 0.15），當(dāng)sym-H?30 nT和L<5 的區(qū)域.所有這些觀測(cè)特征表明，在相對(duì)平靜的條件下，O+離子是不存在的，換句話說，它進(jìn)一步證實(shí)了當(dāng)sym-H 為強(qiáng)負(fù)值（0.35時(shí)O+離子的壓強(qiáng)和總的等離子體壓強(qiáng)要大得多（圖2c、2d），而且隨著sym-H 的降低，壓強(qiáng)峰值向低L 殼移動(dòng)，這與以前的研究一致（Krimigis et al.,1985; Fu et al.,2001; Greenspan and Hamilton,2002）.

3 環(huán)電流在磁暴恢復(fù)相期間的損失

在地磁暴期間，環(huán)電流的增強(qiáng)被廣泛認(rèn)為是Dst（Sym-H）指數(shù)下降的主要原因（Greenspan and Hamilton,2000）.在磁暴主相之后，通常需要幾天時(shí)間（即磁暴恢復(fù)相）環(huán)電流才會(huì)恢復(fù)到平靜時(shí)期的初始水平.導(dǎo)致環(huán)電流衰減的過程有很多，如電荷交換（Dessler and Parker,1959; Stuart,1959;Smith and Bewtra,1978; Smith et al.,1981; Kistler et al.,1989; Ebihara and Ejiri,2003）、庫侖碰撞（Fok et al.,1991,1993,1995,1996），波粒相互作用（Jordanova et al.,2001; Zong et al.,2008; Usanova et al.,2010; Yue et al.,2019b）以及徑向向外擴(kuò)散（Zong et al.,2001; Kozyra and Liemohn,2003;Keika et al.,2005; Kasahara et al.,2008）.其中，電荷交換從理論上一直被認(rèn)為是磁暴恢復(fù)階段環(huán)電流衰減的主要離子損失機(jī)制（Daglis et al.,1999）.在電荷交換這個(gè)過程中，高能離子（如H+、O+、He+和He++離子）與冷的中性原子（通常是外逸層的氫原子）碰撞，隨后產(chǎn)生高能中性原子（ENA）和冷的離子.

使用Rairden 等（1986）提供的中性氫密度模型參數(shù)，根據(jù)AMPTE/CCE 的觀測(cè)結(jié)果，Kistler 等（1989）計(jì)算了1984 年9 月至1985 年11 月磁暴主相和早期恢復(fù)相階段H+、O+、He+和He++離子在1.0～300 keV/e 范圍內(nèi)的電荷交換壽命.他們的結(jié)果表明，電荷交換是磁暴主相階段的主要損失機(jī)制.Jorgensen 等（2001）使用POLAR 的ENA 測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算了1998 年3 月10 日磁暴恢復(fù)相階段的ENA 總能量逃逸.他們得出的結(jié)論是，電荷交換導(dǎo)致的質(zhì)子損失在后期緩慢的恢復(fù)相階段中占主導(dǎo)地位.同樣，基于IMAGE/HENA 的ENA 成像結(jié)果，Keika 等（2011）研究了三個(gè)磁暴恢復(fù)相階段的環(huán)電流離子（H+為27～120 keV,O+為79～264 keV）的空間平均能譜演變情況.他們發(fā)現(xiàn)，電荷交換損失機(jī)制在后期緩慢的恢復(fù)相階段發(fā)揮了重要作用，而對(duì)早期恢復(fù)相階段的貢獻(xiàn)很小.

由于衛(wèi)星軌道、能量覆蓋范圍及分辨率的限制，只有少數(shù)實(shí)地測(cè)量的觀測(cè)結(jié)果（如Smith et al.,1981）揭示了在磁暴恢復(fù)相階段不同能量的環(huán)電流離子的壽命.Chen 等（2021）利用Van Allen 探測(cè)器的觀測(cè)，即位于環(huán)電流中心的寬能量范圍、高時(shí)間和能量分辨率的觀測(cè)，對(duì)磁暴恢復(fù)相階段L值從3～6、能量從1 keV 到幾百keV 的環(huán)電流離子（H+和O+）的壽命進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，并與僅由電荷交換機(jī)制引起的環(huán)電流離子損失的理論估計(jì)結(jié)果進(jìn)行了比較，他們發(fā)現(xiàn)，觀測(cè)壽命與模型的結(jié)果基本一致，這證實(shí)了電荷交換是磁暴恢復(fù)相階段環(huán)電流離子的主要損失機(jī)制.

圖3 顯示了H+離子（左欄）和O+離子（右欄）的觀測(cè)壽命與模型計(jì)算結(jié)果隨能量E和L值變化的統(tǒng)計(jì)分布情況.圖3a、3b 顯示了觀測(cè)到的H+離子和O+離子的壽命，它們通常隨著L值的增加而增加.在圖3a 中，我們可以看到H+離子的壽命在L<～5.5、從1 keV 到幾十keV 的范圍內(nèi)相對(duì)較低，而在L>～5.5 和E>～50 keV 時(shí)則相對(duì)較高，這與圖3c、3e 所示的理論預(yù)測(cè)結(jié)果基本相符，盡管二者的范圍不同.在E< 50 keV 的大多數(shù)區(qū)域，H+離子的壽命小于40 小時(shí).同時(shí)，O+離子的壽命在L<4、E< 50 keV 時(shí)隨著能量增加而減少，在L> 4、E< 50 keV 時(shí)的觀測(cè)壽命約為40 小時(shí).將圖3b 與圖3d（3f）相比較，可以看出O+離子的觀測(cè)壽命和電荷交換導(dǎo)致的理論計(jì)算的結(jié)果之間有很好的定性的一致性，但也存在一些明顯的差異.例如，如圖3d 所示，在Chamberlain 模型中，L>4.5 時(shí)能量低于10 KeV 的O+離子的壽命相比觀測(cè)要長(zhǎng)得多，而在L<～4.5 時(shí)，在Chamberlain 和Hodges 模型中，能量高于100 KeV 的O+離子的模型壽命（圖3d、3f）與觀測(cè)值（圖3b）相比要短.

圖3 （a，b）觀測(cè)到的壽命；（c，d）使用Chamberlain 模型模擬的壽命；（e，f）使用Hodges 模型模擬的壽命.其中，左欄顯示的是H+離子的結(jié)果，而右欄顯示的是O+離子的結(jié)果（修改自Chen et al.,2021）Fig.3 (a,b) The observed lifetime;(c,d) Modeled lifetime by using Chamberlain model;(e,f) Modeled lifetime by using Hodges model.The left column shows the results of H+,while the right column shows the results of O+ (modified from Chen et al.,2021)

4 討論與總結(jié)

近地磁層和等離子體片中的離子組成對(duì)于分析磁層中的物理過程和相關(guān)的不穩(wěn)定性至關(guān)重要.在環(huán)電流占主導(dǎo)地位的地球同步軌道內(nèi)，Yue 等（2018）發(fā)現(xiàn)，H+離子在等離子體總壓強(qiáng)的貢獻(xiàn)中通常占主導(dǎo)地位（平靜期為90%，活躍期為60%），重離子和電子分壓隨著地磁活動(dòng)的增強(qiáng)而增加.另一方面，在夜側(cè)，當(dāng)處于等離子體層外的高L值時(shí)，O+離子和電子從平靜時(shí)期到活躍時(shí)期對(duì)等離子體總壓強(qiáng)的相對(duì)貢獻(xiàn)也從～10%和～5%分別增加到25%和20%.然而，He+離子的貢獻(xiàn)幾乎沒有變化.類似的結(jié)果在磁暴期間也被發(fā)現(xiàn).例如，Greenspan 和Hamilton（2002）統(tǒng)計(jì)調(diào)查了1985～1989 年太陽活動(dòng)低年附近的67 次地磁暴事件中H+離子和O+離子對(duì)環(huán)電流能量的貢獻(xiàn)，結(jié)果表明，在94%的磁暴事件中，O+離子的能量密度低于H+離子的能量密度，在大多數(shù)情況下（72%的磁暴情況下），O+離子對(duì)環(huán)電流能量的貢獻(xiàn)小于23%.Yue 等（2018）使用了2012 年10 月至2017 年12 月的范艾倫探測(cè)器數(shù)據(jù)，表明O+離子對(duì)等離子體壓強(qiáng)的貢獻(xiàn)率低.這可能與太陽的相對(duì)平靜的狀態(tài)有關(guān)（從2009 年開始到2018 年的太陽周期24 是一個(gè)相對(duì)較弱的太陽周期），這種狀態(tài)改變了頂部電離層中的O+離子含量.

雖然O+離子對(duì)等離子體壓強(qiáng)的貢獻(xiàn)不占主導(dǎo)地位，但在磁暴時(shí)期，O+離子對(duì)環(huán)電流的作用不可忽視.Yue 等（2019a）提出的結(jié)果在很大程度上證實(shí)了這一點(diǎn)，這也與前人的研究結(jié)果相符（Smith and Hoffman,1973; Krimigis et al.,1985; Hamilton et al.,1988; Fu et al.,2001; Greenspan and Hamilton,2002）.在地磁活動(dòng)時(shí)期，環(huán)電流中出現(xiàn)更多的O+離子，它和總的等離子體壓強(qiáng)在磁暴主相階段急劇增加，并在sym-H 最小值附近達(dá)到峰值.然后它們?cè)诖疟┗謴?fù)階段逐漸衰減，O+離子壓強(qiáng)的衰減速度明顯快于總壓強(qiáng)的衰減速度.此外，統(tǒng)計(jì)結(jié)果還證實(shí)O+離子貢獻(xiàn)小的情況（R< 0.15）只出現(xiàn)在sym-H > ?60 nT 時(shí)，這表明在相對(duì)平靜的地磁條件下，O+離子很少出現(xiàn)在環(huán)電流中.另一方面，當(dāng)sym-H

通過使用范艾倫探測(cè)器的觀測(cè)數(shù)據(jù)，Chen 等（2021）對(duì)磁暴恢復(fù)相階段L值從3～6、能量為1 KeV 到數(shù)百KeV 的環(huán)電流中H+離子和O+離子的壽命進(jìn)行了統(tǒng)計(jì).Chen 等（2021）的研究結(jié)果表明：一方面，H+離子和O+離子的觀測(cè)壽命一般隨著L值的增加而增加；另一方面，當(dāng)E<～50 keV 時(shí)，H+離子的觀測(cè)壽命比O+離子的短，而當(dāng)E>～50 keV 時(shí)，情況正好相反.同時(shí)，利用兩個(gè)中性氫密度模型，Chen 等（2021）計(jì)算了電荷交換壽命的理論預(yù)測(cè)結(jié)果，并與磁暴恢復(fù)相期間觀測(cè)到的H+離子和O+離子壽命比對(duì)，二者高度的吻合性證實(shí)了電荷交換是環(huán)電流離子的重要損失機(jī)制，這也與以前的研究結(jié)果相符（Kistler et al.,1989; Daglis et al.,1999）.然而，不可忽略的差異提醒我們，電荷交換不是唯一的機(jī)制.其他機(jī)制，如電離層中被激發(fā)的H+離子外流、庫侖碰撞損失、投擲角散射沉降等，也可能在環(huán)電流動(dòng)力學(xué)中發(fā)揮作用.值得注意的是，從磁層中到磁鞘的離子外流和等離子體片離子的流入可能在某種程度上相互抵消.未來的工作需要以定量的方式確定各機(jī)制對(duì)磁暴恢復(fù)相階段環(huán)電流離子壽命的相對(duì)貢獻(xiàn).