磁壳参数L与磁暴Dst指数和行星际条件的关系

用磁坐标L-/A来描述地球近地空间粒子特性和卫星位置是近年来空间物理探测研究和数据分析中的一个新趋势.利用T96磁场模型计算了L值,并比较了在地球磁层剧烈活动期间和不同行星际条件下,用偶极子模型,国际参照磁场(IGRF)模型,和T96磁场模型这三种方式计算得到的地球表面L-A磁坐标之间的区别.在地磁纬度大于30°时偶极子近似和IGRF磁场模型计算得到的L值差别开始增大.在地磁纬度大于50°时,用IGRF磁场模型和T96磁场模型计算得到的L值差别开始增大.由于T96磁场模型引入了行星际磁场南北和东西分量,计算的L值包含了行星际条件的影响,并具有了随地方时变化的特性.本工作对于辐射带粒子动态模式的建立,以及正确理解卫星磁坐标位置等具有重要意义.     

质子地磁垂直截止刚度在2004年11月7-8日两个时刻处的数值模拟

利用单粒子轨道理论, 在T04和IGRF2000磁场模式建立的磁层模型基础上, 应用四阶龙格库塔方法, 模拟计算宇宙线带电质子在地球磁层中的运动以及沿天顶方向入射到达地球磁场内的某一特定位置, 得到了距地球表面450km高度处全球质子垂直截止刚度在2004年11月7-8日中两个时刻的计算值. 根据计算得到的684个不同位置处的截止刚度值, 分析了同一时刻地磁垂直截止刚度随磁纬和磁经的变化. 与此同时, 模拟计算了相同时刻下磁纬为30°, 磁经为0°, 45°, 90°, 135°, 180°, 225°, 270°, 315°处, 地磁有效垂直截止刚度随高度的变化情况. 结果表明, 在磁纬30°处, 其质子有效垂直截止刚度随距离地心高度的变化沿向阳处向磁尾处方向, 变化越来越缓慢.      

1980年5月21日—22日耀斑后冕拱(Post-flare coronal arch)的加热机制和稳定性

本文提出了快撕裂模加热是1980年5月21日—22日耀斑后冕拱长达10多小时的有效加热机制。作者计算了撕裂模所提供的能量和相应的增长率,并讨论了该冕拱的MHD平衡和稳定性问题,主要结论如下:1.对5月21日冕拱,当密度取1.6×109cm-3（实测值）时,剪切宽度α_α=1.8×108cm（冕拱小半径的十分之一）剪切磁场为18—32×10-4T,所对应的增长率为1.79×10-5s-1—2.66×10-5s-1,不稳定的增长时间为15.5h—10.4h,这组解与观测到的冕拱存在10多小时相符。所以,撕裂模是冕拱合理的有效加热机制。2.该冕拱之所以维持10多小时之久,除撕裂模加热与辐射损失平衡外,在力学上必须处于平衡态,其平衡条件为B_φ（冕拱轴向磁场）=2B_θ（冕拱的环向场）,和气压梯度dp/dr大于零。若冕拱满足该力学平衡条件,则利用能量原理可得到该系统对腊肠扰动、扭曲扰动、螺旋扰动均是稳定的。      

重力对单气泡生长特性的影响

采用VOF (Volume of Fluid)多相流模型, 通过用户自定义函数UDF (User Defined Function)实现相变过程中质量和能量的输运, 对微重力条件下尺寸为10mm × 10mm × 25mm的矩形通道的池沸腾现象进行数值模拟, 得到了微重力及常重力作用下单个气泡生长特性的差异. 模拟结果表明, 微重力条件下气泡周围的流线与温度场的分布有显著差异; 由于表面张力作用, 微重力下的气泡脱离特性与常重力下不同; 在微重力条件下, 气泡直径的变化比较复杂, 并与重力加速度的大小有关; Marangoni流对微重力下的流动影响很大, 使换热系数波动, 而且波动的幅度随重力加速度的减小而增大.      

一个基于观测的太阳风背景模型

建立由太阳光球磁场和日冕偏振亮度等观测约束的单流体太阳风模型,包括日冕和太阳风的等离子体密度、速度和磁场,温度还有待于以后处理.这里采用高山观测台(HAO)MKⅢ的日冕偏振亮度(pB)在1.36Rs上的观测概图,根据Guhathakurta在1996年发展的日冕电子密度反演模型确定日冕的电子密度分布.同时采用Wilcox太阳观测台(WSO)的光球磁场视向分量的观测概图作为底部边界,根据Zhao等在1994年发展的水平电流-电流片(HCCS)模型得到全球磁场.Phillips在1995年及McComas在2003年分别用Ulysses第一次和第二次跨极飞行的观测发现,归一化到1 AU的太阳风动量流密度除了在10°～30°的纬度范围内略低以外几乎不变.根据这一结论,结合已经得到的密度数据,就可以得到日冕和太阳风的速度.将上面的模型应用于1918卡林顿自转周稳态太阳风的研究,结果与太阳活动极小期的观测基本相符,但是与观测相比较低速高密度区偏大,因此密度模型还有待改进.      

太阳活动区磁场扭绞与耀斑产率

本文以1972年10月的太阳活动区McMath 12094为范例, 研究了活动区磁场扭绞与耀斑产率的关系.先在常α无力场模型假定下, 以观测到的活动区光球磁场为边值, 对活动区在日面中心附近4天(10月28—31日), 推算出代表活动区磁场平均扭绞程度的无力因子α, 从而外推出活动区在这4天的三维磁力线形态.然后以这些资料为基础, 进一步讨论了活动区磁场演化特征, 磁场扭绞与耀斑产率的关系, 并且近似用单极场模型估算了通过活动区前导大黑子A的电流、电流密度以及因大黑子逆时针旋转造成磁场扭绞所贮存的能量.本文主要结论为:(1)活动区McMath 12094从10月27日起保持较强扭绞, 10月30日达到极大, 10月31日后扭绞减弱.活动区磁场扭绞的主要原因是光球中的磁流体力学作用所导致的前导大黑子A的逆时针旋转。(2)代表活动区磁场平均扭绞程度的无力因子α与活动区耀斑产率同步变化, 表明活动区磁场扭绞与耀斑产率成正相关.(3)通过活动区前导大黑子A的本影电流为4.3—6.6×1012A, 因扭绞产生的自由能贮存为0.44—1.11×1032erg.活动区中的电流密度达到0.96—1.47×10A·m-2.这样高的电流密度可能是该活动区高耀斑产率的重要原因.      

磁场强度对日冕定态结构的影响

以二维ＭＨＤ模型及时变方法为基础,内外边界完整的设影特征线边界条件,考察了太阳日冕大气的定态结构随偶极场强度的变化情况。模拟结果表明：随着偶极场强度的增加,磁场对太阳风的约束增强,低纬闭磁场打开程度减少,高纬与低纬区速度差增加,并且在阿尔文马赫数为１的点附近达到最大,速度过度区变陡;随着日心距离增加,低纬区宽度减小,速度过渡区变陡,可定性解释Ｕｌｙｓｓｅｓ飞船的新观测事实。     

1958年7月8日磁暴的电离层响应

本文用遍布全球的52个电离层垂测台站资料,研究1958年7月8日磁暴期间全球电离层扰动的发展变化;各扇区的响应特性;扰动的传播轨迹及速度等。获得以下结果:1.几大扇区的电离层扰动始于南北两极,美洲扇区除具这一特征外,其赤道地区在磁暴急始后不久,出现一个扰动中心,邻近区域的扰动受其控制。2.扰动由高纬向低纬发展,由扰动中心向外传播。3.扰动峰面几乎与地磁力线垂直,即扰动沿磁力线方向发展,其传播速度大约在150—600m/s范围。     

Alfvén脉动的控制方程

本文由磁流体力学方程组导出了行星际空间中不可压缩小尺度脉动的控制方程组。对这一组方程的讨论表明,在小振幅极限下,脉动幅度的径向变化可由通常文献中引用的Alfvén波在缓变磁流体介质中传播的WKB解来描述。当脉动幅度与平均磁场强度之比为有限值时,在一般情况下,控制方程中的非线性项不能略去,因而不能用WKB解来描述有限振幅脉动幅度的径向变化。这一结论可以解释为什么在0.3—0.9AU实测Alfvén脉动振幅和谱的变化与WKB解不一致。在这组控制方程的基础上提出了一个定性的模式。将Alfvén脉动看作主要由许多具有不同波矢k的向外传播的有限振幅的Alfvén模式组成。它们在传播过程中将产生一级小量的波动。零级量与一级量的非线性相互作用使波能向高频区串级。零级量波动振幅的变化不仅受到太阳风慢变化的影响,而且受到这一非线性相互作用的影响。这一模式可以定性解释主要的Alfvén脉动的观测事实。      

Modelling studies of ionospheric convection in northern and southern polar regions

The realistic model of Quegan et al. has been used to investigate the convection paths of ionospheric plasma at 300 km altitude, for different polar cap radii and in both hemispheres. Taking the Northern magnetic dip pole to be at a co-latitude of 11° and the Southern magnetic dip pole at a co-latitude of 23°, these paths are presented in a Sun-Earth frame, with the position of the Earth's axis fixed as it is on 21 March, as polar plots centred on the magnetic pole. There are marked hemispheric differences between 13 and 23 L.T., particularly near the stagnation region at 18 to 21 L.T., but only minor differences between 00 and 12 L.T., when the radius of the polar cap exceeds 12°. For a smaller polar cap, the differences between the hemispheres are small at all local times. The time taken to perform a complete circuit is most dependent on the polar cap radius, and most variable - between 15 and 36 h - for convection paths starting near 60° latitude. The time that plasma convecting from noon to near midnight across the Northern polar cap spends within the 10° co-latitude circle increases from 6 h, for a polar cap radius of 10°, to 11.5 h at 17°. These results are compared and contrasted with other model calculation results and with some ground-based and satellite observations of plasma densities at high latitudes.     

利用TIE-GCM模式计算电离层电流及夜间电离层磁场

电离层电流产生的磁场是地磁场卫星测绘时需要剔除的干扰源.利用电离层热层模式TIE-GCM计算电离层中的中性风、重力驱动和压强梯度等形成的电离层电流的全球分布,分析电流在特定位置产生的磁场及磁场三分量随纬度的变化规律.结果表明,E层尤其是磁赤道和极区的电流密度较大,可达103nA·m-2量级,F层电流密度量级约为10nA·m-2.在磁静日（Kp≤ 1）夜间22:00LT-04:00LT,电离层电流在中低纬度（南北纬50°之间）产生的磁场量级为几个nT,且磁场的南北向分量和径向分量基本大于东西向分量.通过与CHAMP卫星磁测数据分析比较,发现TIE-GCM模式计算电离层干扰磁场在中低纬度可以取得较好的结果,但在高纬度地区的效果不理想,还需进一步改进模式以提高计算精度.      

关于磁尾高能粒子脉冲的一些特性

利用行星际监察卫星IMP-J取得的高能粒子探测数据(质子能档P4:230keV>E>160keV)与极光电激流指数AE作相关分析,在地心太阳磁层坐标下,按照Fairfield关于中性片对地心太阳磁层"赤道面"的偏离模式,把磁尾分成三个区域:中性片区域、低纬区域和高纬区域。结果表明:(1)高能粒子脉冲的平均强度在中性片区域最强,低纬次之,高纬最弱,表明高能粒子脉冲源区在中性片区域;(2)中性片附近,粒子脉冲和AE指数相关最好,达0.59,低纬次之,高纬几乎无相关,表明粒子脉冲与亚暴事件有关,它是磁尾中性片附近磁力线重联产生的感应电场加速的结果;(3)粒子加速区局限于中性片附近的薄层内,与国外结果完全一致。      

低纬Pc3脉动和电离层电流体系

假设在低纬地区有一根磁力线振荡,从基本方程出发,推算出地面各点的磁场扰动情况,模拟低纬Pc3脉动。对比低纬地区Pc3脉动的观测结果,可以看出用这种理论数值模拟的结果基本上与观测事实相符,用它可以初步解释低纬Pc3脉动的频率特性和偏振特点。     

平流层臭氧和辐射场的季节分布特征

利用美国NCAR化学气候耦合模式WACCM3对平流层温度场、风场、臭氧及辐射场进行了模拟.结果表明,在适宜飞艇长期驻留的准零风层高度20～22km(对应大气压强范围为50～30hPa,以下均采用气压值表征对应大气高度),7-8月风速小于5m·s-1的风带可长期稳定在40°N以北.臭氧空间分布显示,在30hPa气压高度处中国地区臭氧浓度出现了带状分布,30hPa高度以下低纬度地区臭氧浓度低于中纬度地区.平流层太阳加热率的时空变化表明,在平流层上层,太阳加热率可达100×10-6K·s-1,而在平流层下层,只有10×10-6K·s-1.6-8月中国区域的太阳加热率大于9月;在100～30hPa高度内,中纬度地区太阳加热率高于低纬度地区,在30hPa高度以上,低纬度地区太阳加热率高于中纬度地区;8-9月30～40hPa高度处,太阳加热率的空间变化较小.在30hPa高度上,太阳加热率在40°N昼夜变化最大;50hPa高度处,太阳加热率的昼夜变化小于30hPa高度处,而且白天太阳加热率出现极大值的纬度明显靠北.平流层低纬度地区的长波加热率小于中纬度地区.青藏高原由于地形特殊,其6-7月的臭氧浓度、太阳加热率和长波加热率均小于同纬度其他地区.      

月球均匀模型阶跃感应磁场模拟计算

针对月球均匀模型, 利用电磁感应理论, 对行星际磁场阶跃扰动产生的 感应磁场进行了模拟计算. 设磁导率恒为μ₀, 对于一些特定的电导率值, 给出了月表磁场分量和总场从跃变到重新达到稳态的变化过程; 在一条经线 上的赤道附近、中纬地区和极区各选取一个测点, 利用Laplace逆变换的数 值公式给出了磁场瞬变响应函数和磁场分量及总场在不同电导率情况下的变化趋势. 计算结果表明, 此研究方法可行, 结果合理. 经过足够长的时间, 与外磁 场跃变方向垂直的磁场分量将会消失, 而与之平行的磁场分量将与外场趋于 一致. 在外场发生跃变的时刻, 赤道附近能够测到的最大磁场分量值约为13.65nT, 极区附近能测到约2.71nT; 在中低纬度和极区, 平行分量变化的过程显著 不同, 反映出实际探测中, 选取在月表不同位置的磁强计将可能监测到完全不同的磁场变化曲线形态.      

一个太阳硬X射线爆的观测特性

本文分析了1981年4月27日的一个特大高能爆发。它在硬X射线(HXR)、γ射线和微波(MW)记录上显示一一对应的多脉冲结构。文中讨论了这些脉冲的寿命、时延与HXR的能量、MW的波长之间的关系,发现时延量与湍动加速所预期的值相符合。提出了各脉冲期间的谱呈软→硬→软的演化,可能是由高能电子受到加速的看法。还对产生HXR的高能电子的谱指数、电子总数和MW源区的磁场也作了估计。      

Investigation of the differential rotation of the large-scale magnetic elements for the solar activity cycles 20 and 21

The differential rotation of the patterns of the large-scale solar magnetic field during solar activity cycles 20 and 21 is investigated. Compact magnetic elements with the polarity of the general solar magnetic field have larger speed of rotation than the elements with the opposite polarity. The surface of the Sun was divided by 10°-zones. In all of them the average rotation rate of the magnetic elements with negative polarity is little higher than that of the magnetic elements with positive polarity, except for 50°-zone of the south hemisphere and at the 10° latitude of the north hemisphere.

The rates of differential rotation for large-scale magnetic elements with negative and positive polarities have similar behavior for both cycles of the solar activity.

The rotation rate varies at polarity reversal of the circumpolar magnetic fields. For the cycle No 20 in 1969–1970 the threefold reversal took place in the northern hemisphere and variations of rotation rate can be noticed for magnetic elements both with positive and negative polarity for each 10°-zone in the same hemisphere.     

World grid of cosmic ray vertical cut-off rigidity for the last decade

Cosmic ray cut-off rigidity tables and maps over the world concerning the epochs 2010, 2015 and the current one 2020 have been constructed. These maps display the effective cut-off rigidity in every five degrees in latitude and in longitude at the altitude of 20 km above the surface of the international reference ellipsoid. The values of the geomagnetic cut-off rigidity were calculated in every 5° in latitude and in every 15° in longitude applying the well-known method of particle trajectory calculations resulted from the theory of the particle motion in the Earth's magnetic field. The applied software employed the 12th Generation of the International Geomagnetic Reference Field (IGRF 12) and trajectories were calculated at 0.01 GV intervals in order to determine the vertical cut-off rigidity for each location. Beyond the use of the calculated cut-off rigidity values as a basic reference of charged particle access to different geographical locations during quiet and/or more intense geomagnetic periods, these results can be used for a long- term forecasting of the geomagnetic conditions variations.     

Self-similar problems of the time-dependant discs accretion and the nature of the temporary X-ray sources

Self-similar solutions, obtained by means of non-linear hydrodynamic equations, describing the picture of the time-dependant discs accretion. Some of the solutions describe the evolution of the accumulating disc, which is created around the neutron star with a strong magnetic field. Others give the time evolution of the initial narrow material ring, thrown at a certain distance around the gravitation centre. Practically all problems of the time-dependant disc accretion, asymptotically come to the above mentioned solutions.It is shown that the time-dependant disc accretion of the gas of the neutron star from the accumulating disc cause recurrent X-ray outbursts. The fall of the X-ray luminosity at the maximum stage depends of the time to a certain degree; is near the ones which are observed in the time-dependant X-ray sources. The model of the time-dependant X-ray sources is explained in the framework of the time-dependant disc accretion of magnetized neutron star with a strong magnetic field.     

Case study of September 24–26, 1998 magnetic storm

We compute global magnetospheric parameters based upon solar wind data obtained from the WIND spacecraft upstream. Using the paraboloid magnetospheric model, calculations of the dynamic global magnetospheric current systems have been made. The solar wind dynamic pressure, the interplanetary magnetic field, the strength of the tail current, and the ring current control the polar cap and auroral oval size and location during the magnetic storm. The model calculations demonstrate that the polar cap and the auroral oval areas are mainly controlled by the tail current. The substorm onset at 0630 UT on September 25, 1998 happened near the minimum in the main phase field depression. The substorm expansion onset time is also marked by a sudden enhancement in the solar wind dynamic pressure and an enhancement in the tail current. The magnetic signatures of these two effects cancel each other, which explains why the D_st profile shows no strong time variation during the substorm. Evidence for the substorm expansion includes not only the signature in the AL index but also the strong asymmetry of the low latitude magnetic disturbances (substorm positive bay signature). Model calculations were checked by comparison with the GOES 8 and 10 magnetic field measurements.