空间尘埃的充电过程及与等离子体参数的关系

考虑了地球附近的彗星、行星环、行星际介质等空间尘埃等离子体环境中尘埃颗粒的充电问题．应用典型的空间尘埃等离子体参数，计算了不同种类的尘埃颗粒，以及不同等离子体成分下等离子体中尘粒的平衡电势，得到了尘埃颗粒的平衡电势与尘埃等离子体成分、温度，及其他等离子体参数之间的相互关系．     

冷而密的等离子体片及其对磁尾等离子体片分布特性的影响

地球磁尾等离子体片在太阳风-磁层耦合过程中起着重要的作用，其中冷而密的等离子体片是地磁活动平静期太阳风等离子体进入磁层的重要区域.以往的研究通常没有利用局地探测数据针对冷而密的等离子体片发生率在地心太阳磁层坐标系（GSM）中xy平面分布的统计分析.本文利用GEOTAIL卫星1996-2016年的局地测量数据，给出了等离子体片密度、温度及冷而密的等离子体片发生率的二维分布.与温度具有晨昏对称分布不同，等离子体片数密度呈现明显的晨昏不对称性，并且冷而密的等离子体片发生率在晨侧较高.      

连续磁活动对等离子体层演化的影响

利用嫦娥三号极紫外相机观测的2014年2月21日等离子体层极紫外对数图像，分析了一系列磁活动状态下等离子体层晨侧视角的演化.由等离子体层质子的相空间分布，模拟了2014年2月18—22日发生一系列磁暴事件时等离子体层在磁赤道面的演化.通过观测与模拟发现，等离子体层实际的填充速度大于模拟时等离子体层的填充速度.推测昏侧与日侧之间的羽结构对侧面视角下向阳侧等离子体层顶的位置会造成影响.模拟中等离子体层整体对磁暴的响应在3h内，大磁暴对等离子体层的影响时间较长，可以达到1～2天.连续的磁暴事件对等离子体层的影响有叠加的效果.等离子体层的回填比侵蚀需要更长的时间.      

彗星环境中尘埃等离子体的电荷涨落和静电波动

本文分析了尘埃等离子体中尘埃颗粒的带电过程，给出了一套自洽的工流体方程组．运用这组方程研究了尘埃电荷的起伏涨落，得到了非磁化均匀尘埃等离子体中静电波动的色散关系．针对彗星空间环境中尘埃等离子体的特点，讨论了尘埃电荷的涨落对各种静电波动的影响．     

基于等离子体磁壳的行星探测器制动机理研究

等离子体磁壳制动技术是一种新型的行星探测器制动手段，具有制动阻力可调、可靠性高、结构质量小等优势，具有潜在的应用前景。开展了等离子体磁壳制动产生方式与工作机理的数值仿真研究。首先，以火星探测器的制动为背景，将等离子体磁壳简化为圆柱构型，建立了等离子体磁壳宏观模型，得到了制动阻力、有效捕获面积和探测器速度随轨道高度的变化关系。随后以等离子体磁壳中离子、电子和次中性粒子之间的相互作用为研究对象，建立了等离子体磁壳微观模型，获得了等离子体粒子数密度和温度随时间变化的规律。微观模型与宏观模型计算出的制动阻力一致，验证了两种模型的有效性。     

地面实验室模拟空间等离子体环境的初步测试

空间等离子体和航天器的相互作用对航天器的安全有重要影响，利用空间实验来研究这些作用的代价很大，可以通过在地面实验室中模拟空间等离子体环境来低成本地研究这些相互作用。本研究通过使用ECR等离子体源期望在地面实验室来近似模拟空间等离子体环境。通过初步测量，我们得到了一个比较均匀的等离子体环境。     

基于BP神经网络的GEO等离子体环境参数反演分析

空间等离子体环境诱发的表面充电效应会对航天器运行产生干扰，严重时将导致太阳电池等部件失效。通过神经网络反演方法，以GEO环境中介质表面充电电位曲线作为输入，在双峰麦克斯韦分布假设下，可以逆向得到高能峰的等离子体参数。分析了GEO等离子体环境参数对表面充电电位曲线的影响，表明高能峰在充电过程中起决定性作用；其次通过MATLAB搭建BP神经网络，采用COMSOL计算得到多组充电曲线进行网络训练和反演计算，得到等离子体密度反演的平均相对误差为0.42%，温度反演的平均相对误差为0.03%，整体误差在0.1%～5.6%。结果表明，采用神经网络对等离子体环境进行反演具有可行性，该方法可以作为空间等离子体环境探测结果的对比参考和航天器非探测点表面电位计算的输入条件。     

利用栅网控制空间等离子体环境效应模拟中的等离子体参数

通常采用ECR等离子体源产生的等离子体的温度和密度都比较大，通过附加适当目数的栅网，并在栅网上加一定的偏置电位来对等离子体参数，尤其是温度，密度进行调整，满足空间等离子体环境模拟要求，本文利用14目，25目的栅网，对已有的地面实验室空间等离子体环境进行了改进，得到了更加接近空间等离子体参数的一个地面模拟环境。     

彗星中尘埃的带电特性和平衡电势的研究

分析了彗星中尘埃粒子的带电特性，以及计算了彗星尘埃等离子体的典型参数．对Halley彗星和G-Z彗星进行了讨论，得出了彗星中尘埃平衡电势的一些主要规律．一般来说，这些规律也可以适用于其他等离子体彗星．     

空间飞行体与等离子体在压缩区内的非稳态相互作用研究

研究了空间飞行体在运动过程中，其前端压缩区内飞行体与等离子体的、非稳态相互作用问题，得到了在强天线辐射源高频场作用下的控制方程．通过计算表明，飞行体上的天线可作为调制不稳定性的激发源，在等离子体中激发起很强的电磁孤波．     

磁流体力学激波的特征速度

根据磁流体力学间断面的守恒条件与磁流体力学单波方程的相似性,引入了一个称为磁流体力学激波特征速度的物理量,它是激波在波前后两侧介质中传播速度的几何平均值,当激波很弱时,它趋近于磁流体力学波的速度。本文导出一组以此特征速度为强度参数的激波跃变公式,形式上与单波的公式组非常相像,从而简化了激波跃变量的计算。其中密度跃变公式本身解析地证明:磁流体力学激波与磁流体力学波传播速度之间的关系是由激波是压缩波这一特性直接决定的。      

磁流体激波跃变条件的无量纲化

本文通过对磁流体激波跃变方程组的无量纲化处理,得到了有关磁流体激波跃变条件及其解析解的一种普遍化的最简形式;对斜激波、垂直激波、平行激波和气体动力学激波与磁流体力学激波的统一形式均给予了讨论.这些公式对理论研究和工程应用中的实际计算都很方便.      

太阳风状态参数的变化对地球磁鞘中磁场起伏特性的影响

本文利用MHD激波跳跃条件的精确解,具体讨论了行星际背景太阳风状态参数Alfvén马赫数M₁、等离子体β₁参数和磁场角θ₁的变化对地球磁鞘区中磁场起伏特性及其分布的影响.主要结果是:马赫数M₁的变化主要控制磁场起伏特性:放大倍数、相对起伏和各向异性程度的水准高低.磁场角θ₁的变化控制磁场起伏的空间分布特性.等离子体β₁参数的变化,不引起磁场起伏特性的明显变化(对于实际经常发生的情况M₁ 8而言).M₁、θ₁是强控制参数,而β₁是弱控制参数;磁鞘区磁场起伏对太阳风状态参数的变化响应呈现明显的晨-昏不对称性(行星际磁场位于黄道面时),响应主要发生在晨侧.晨侧的磁场起伏(或湍动)相当活跃,而昏侧相当稳定;磁鞘中不同地点磁场起伏特性对太阳风状态参数M₁、β₁的变化响应有大致相同的形式,而对其磁场角度θ₁的变化却有迥然不同的形式.      

The structure of Kelvin–Helmholtz vortices with super-sonic flow

We have done two-dimensional simulations of the Kelvin–Helmholtz instability (KHI) with super-sonic flow using the CIP method. The linear analyses of a simple uniform density case show that the KHI cannot grow vigorously when the velocity jump is more than twice the sound speed (when the flow speed relative to the vortex is super-sonic). In this study, by situating a high density contrast across the shear layer, we set the flow in only one of the sides to be super-sonic and then show that the KHI does grow and rolls up a vortex. The formation of a shock is essential for the KHI vigorous growth and the structure of the vortex is strongly influenced by the shock geometry. The results should have substantial implications to velocity shear layer dynamics involving large density jump, such as planetary magnetospheric boundary layers.     

行星际起伏向磁层顶的输运

时间尺度为分钟数量级的太阳风速度和行星际磁场大幅度扰动实际上始终存在于行星际空间的。这些扰动一直传输到紧贴磁层边界面外侧的区域。它们在磁鞘等离子体和磁层顶的相互作用过程中可能起很重要的作用。行星际起伏中的磁场分量在通过地球弓激波时首先经历一次跳跃,然后一部分扰动被带到磁层边界面处。在边界面附近磁场扰动幅度被大大地放大了。弓激波上游的太阳风条件控制了放大因子。本文所作的数值模拟研究结果表明,如果上游有大幅度的扰动,在边界面附近就有大幅度的Alfven起伏的磁场分量。当上游磁场接近垂直于日地联线时,放大因子变得相当大,而且放大因子随上游的等离子体β值和/或Alfven马赫数的增加而增加。上游各向异性对放大因子的影响不大。在磁层边界附近存在大幅度起伏表明这里不存在稳定的片流。      

利用特征速度讨论磁流体力学激波特性

本文用作者在文[1]中引入的特征速度U_*作为磁流体力学激波的基本强度参数,解析地讨论了磁流体力学激波的种类和特性;详细地讨论了磁场强度跃变比h随特征马赫数平方M_*2=U_*2/C₁2的函数的变化;给出介质密度、压力、法向和切向速度[u_x]/C₁和[u_y]/C₁跃变比的结果,最后,讨论了包括励磁和消磁激波在内的垂直和平行磁流体力学激波的极限情形。      

磁云边界层中的重联慢激波观测分析

在Petschek模型中,排空区边界处的一对慢激波是能量耗散的重要机制.已有大量行星际空间的Petschek型磁场重联排空区观测事件被报道,但是只有少量的排空区边界处观测到了慢激波.针对一例位于磁云边界层中的Petschek型磁场重联排空区观测事件,在排空区靠近磁云一侧边界处证认了一例慢激波.激波跃变层两侧的磁场和等离子体参数满足Rankine-Hugoniot关系,且激波上下游的中间马赫数均小于1,上游的慢马赫数为2.94（>1）,下游的慢马赫数为0.65（<1）,符合慢激波的观测特征.磁云内部的等离子体β值很低,局地阿尔芬速度高,同时磁云边界层中可能发生丰富的磁场重联活动,这可能是磁云前边界处慢激波形成的原因.      

Bow shock: Power aspects

It is clear that the primary energy source for magnetospheric processes is the solar wind, but the process of energy transfer from the solar wind into the magnetosphere, or rather, to convecting magnetospheric plasma, appears to be rather complicated. Bow shock is a powerful transformer of the solar wind kinetic energy into the gas dynamic and electromagnetic energy. A jump of the magnetic field tangential component at front crossing means that the front carries an electric current. The solar wind kinetic energy partly transforms to gas kinetic and electromagnetic energy during its passage through the bow shock front. The transition layer (magnetosheath) can use part of this energy for accelerating of plasma, but can conversely spend part its kinetic energy on the electric power generation, which afterwards may be used by the magnetosphere. Thereby, transition layer can be both consumer (sink) and generator (source) of electric power depending upon special conditions. The direction of the current behind the bow shock front depends on the sign of the IMF Bz-component. It is this electric current which sets convection of plasma in motion.     

行星际激波的多方指数

从Ｈｅｌｉｏｓ等６个飞船１９７２年至１９８７年的太阳风观测资料找出９８６个行星际快激波，利用ＭＨＤ Ｒａｎｋｉｎｅ－Ｈｕｇｏｎｉｏｔ方程组分析了激波上下游参数关系，确定出每一个激波的最佳多方指数。结果指出，多方指数有一分布，其最可几值约在１．７０－１．７５之间。     

Acceleration theory for 5–40 keV ions at interplanetary shocks

Power-law spectra f(E)∝E^?2.7 of < 40 keV suprathermal ions within ～10⁷ km of propagating interplanetary shocks are explained by diffusive scattering near a plane shock. The theory fits the 25 November 1977 event with a mean free path perpendicular to the shock with is 0.01 AU in front of the shock and less than .0003 AU behind it, for 1 keV ions. The theory predicts a steepening spectrum at higher energies, of the form $\text{f(v)∝v}{}^{\mathrm{?4}}\text{exp(??λdv/ur)}\text{where}\text{u = (ΔV)}{}^2\text{/2V}{}_{\mathrm{W}}$ depends on the plasma velocity jump ΔV and the plasma speed V_W and mean free path λ in front of the shock