磁暴是磁層中一種強烈的地磁活動現(xiàn)象，它是空間天氣研究中極為重要的物理過程。而環(huán)電流是磁暴研究中最為核心的課題。環(huán)電流存在于地球附近2-9內(nèi)，由能量粒子（幾個至幾百個千電子伏特）在地磁場中運動時受抗磁漂移、磁場梯度漂移、曲率漂移運動形成。在磁暴期間，大量的能量粒子注入到環(huán)電流區(qū)域，導(dǎo)致環(huán)電流強度增強，從而引起地磁場的劇烈擾動。
近日，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心空間天氣學(xué)國家重點實驗室的沈超研究員、楊艷艷博士等利用Cluster衛(wèi)星多點探測方法研究了磁暴期間環(huán)電流的分布特征和當(dāng)?shù)卮艌鐾負(fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化。此項研究直接探測到了環(huán)電流區(qū)域內(nèi)側(cè)的較弱的東向電流；而在其外側(cè)，存在著強度更大的西向環(huán)電流。例如，2001年3月31日強磁暴事件期間，電流強度達到100。這是迄今地球磁層中所觀測到最強的電流密度。此項研究首次通過直接探測定量化確認(rèn)磁暴期間內(nèi)磁層磁場拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化。在磁暴期間，隨著磁暴強度的增加，整個環(huán)電流區(qū)域磁力線曲率半徑減小。特別在超強磁暴時期，磁力線曲率半徑大小只有寧靜時期的約1/3。研究結(jié)果還表明，磁力線的幾何結(jié)構(gòu)以及環(huán)電流的分布均存在地方時的不對稱性。在相同強度的磁暴條件下，磁力線的曲率半徑在夜側(cè)最小，昏側(cè)次之，晨側(cè)居中，日側(cè)最大。
地磁力線的這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化對環(huán)電流區(qū)域、等離子體層區(qū)域以及輻射帶區(qū)域的粒子動力學(xué)過程具有重要影響。首先，磁力線幾何結(jié)構(gòu)的變化將引起這些區(qū)域各能段帶電粒子的重新分布，更加向外延伸。其次，磁暴期間磁力線曲率半徑以及磁場強度的減小將打破輻射帶部分高能質(zhì)子第一絕熱不變量的守恒性，使其通過場線散射過程損失于大氣層，從而確認(rèn)磁暴場線散射效應(yīng)是質(zhì)子輻射帶的一種重要損失機制。最后，由于環(huán)電流產(chǎn)生的磁場擾動值可與當(dāng)?shù)卮艌鱿啾�，�?yīng)該考慮環(huán)電流的磁能，磁暴DPS能量-磁擾動關(guān)系必須加以修正。此項成果在2013年度EGU會議期間報告，引起了國際同行廣泛積極反響。
該項研究成果發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊Journal of Geophysical Research (JGR): Space Physics上。
2001年3月31日環(huán)電流穿越事件磁場結(jié)構(gòu)及環(huán)電流觀測
環(huán)電流（左）及磁場曲率（右）隨磁暴強度變化的統(tǒng)計結(jié)果
