关于IMF北向分量特强时的太阳风－磁层－电离层耦合

关于ＩＭＦ北向分量特强时的太阳风－磁层－电离层耦合沈长寿，资民筠（北京大学地球物理系，１００８７１）（中国艺术研究院，北京）关键词行星际磁场，太阳风－磁层能量耦合函数为检验Ａｋａｓｏｆｕ提出的能量融合函数“’在ＢＺ强北向时能否反映太阳风与磁层扰动间的...     

行星际磁场北向分量触发磁层扰动的可能性

本文用典型事件和统计分析论证了行星际磁场北向分量触发地磁扰动的可能性.给出了行星际电场E_y分量对磁层大尺度对流电场E_M的耦合系数.从耦合方程出发讨论了磁层对太阳风作用的响应,证明磁层不是起半波整流器作用,从而表明经典的重联理论应有所修改.      

行星际磁场时钟角与地球磁层开放磁通的关系

地球磁层开放磁通F_pc是研究磁层动力学过程的重要参数之一,其与日侧和夜侧磁尾的磁场重联具有密切关系. 日侧重联率控制稳定状态下磁层开放磁通的大小,主要受各种太阳风条件的影响. 其中,行星际磁场（IMF）的时钟角是影响日侧重联率的一个重要因素. 通过全球MHD模拟,研究了行星际磁场时钟角θ_c与地球磁层开放磁通F_pc 之间的关系. 结果表明,开放磁通F_pc随着行星际磁场时钟角 θ_c逐渐接近180°（纯南向）而逐渐增加,两者之间的关系近似为F_pc∝sin3/2（θ_c/2）. 由于表征行星际磁场与地球磁场剪切程度的θ_c影响日侧重联率,从而控制F_pc,该关系反映了二者之间的物理联系.      

午后极光强度与太阳风-磁层耦合函数的相关

利用1997年和1998年南极中山站多通道扫描光度计的地面观测数据和Wind卫星在弓激波上游对行星际磁场和太阳风参数的观测数据,对午后高纬极光强度与太阳风-磁层耦合函数之间的相关性进行定量研究.研究表明,午后630.0nm极光强度与太阳风-磁层耦合函数间有很好的相关,而557.7nm的相关性差一些;在考察的所有耦合函数中,午后极光受太阳风电场和能量的影响更直接;同时,行星际磁场的时钟角对午后极光也有很强的控制作用.      

太阳风-磁层-电离层耦合过程中的能量收支

太阳风向磁层电离层(Magnetosphere and Ionosphere, MI)系统输入能量, 而输入的能量随后在MI系统中消耗. 本文从能量守恒原理出发, 讨论太阳风-磁层-电离层 (SMI)耦合过程中的能流路径和能量收支的定量关系. 主要讨论9个问题: (1) 太阳风向MI系统的能量输入, (2) MI系统对能量输入的响应, (3) 环电流的能量消耗, (4) 极区电离层焦耳加热的能量消耗, (5) 极光粒子沉降的能量消耗, (6) 磁尾能量的消耗、储存以及返回下游太阳风, (7)平静期间的能量积累与释放, (8)能量在不同能汇中的分配, (9)评价能量函数的准则和方法.      

磁层顶的Kelvin-Helmholtz不稳定性(III)可压缩不稳定波的能量和动量输运

本文在假定磁层顶为切向间断面的近似下分析了可压缩K-H不稳定波在磁层顶两侧的能量分配及能量和动量输运,讨论了相应的物理机制.计算表明,K-H不稳定性确实能在太阳风-磁层耦合中起重要作用.      

冲击波在变密度、运动介质中的传播

本文得到了点源爆炸波在变密度、运动介质中传播的分析解(ω=2,γ=5/3),讨论了耀斑引起的击波在太阳风中传播的一些特性。发现1AU附近区域恰是击波各种重要效应的过渡区;击波减速等效指数i(D=K(u_o,E_s)R-i(u_o,E_s,R))是介质运动速度u_o.击波能量E_s,和击波传播距离R的函数,通常是小于1/2的,不是自型理论预言的那样简单;太阳风的对流效应使击波可以传播到10-20AU以远,与飞船(先躯者10、11号)新近的观测相吻合。      

太阳风向磁层输入电磁能量研究

利用全球磁流体力学（MHD）模拟结果,通过确立包含磁层顶的太阳风流线内边界来识别三维磁层顶位形,并以极尖区位置作为磁层顶日侧与夜侧的分界线,在此基础上定量研究了不同条件下穿过磁层顶向磁层内输入的电磁能量. 研究发现,磁层顶的能量传输与太阳风条件密切相关,磁重联是控制电磁能量传输的重要机制. 结果表明,当IMF（行星际磁场）南向时,极尖区后方的磁尾附近存在电磁能输入最大值,当IMF北向时,电磁能输入最大值发生在极尖区附近;南向IMF条件下,在IMF强度增大或太阳风密度增大时,磁层顶电磁能传输的电磁能量比北向IMF条件时增加更显著. 太阳风通过调节磁层顶面积间接影响到磁层顶能量传输大小. 研究还发现,北向IMF与南向IMF条件下穿过磁层顶的电磁能输入的比值范围约为10%～30%,此比值一定程度上反映了北、南方向IMF与地磁场磁重联效率的比值.      

极端太阳风条件下的磁层顶位形

基于极端太阳风条件下的三维MHD数值模拟数据, 构建了一种极端太阳风条件下的三维非对称磁层顶位形模型. 所提出的模型考虑了行星际南向磁场(IMF) B_z日下点距离侵蚀的饱和效应, 太阳风动压B_d对磁层顶张角影响的饱和效应, 赤道面、昼夜子午面磁层顶的不对称性以及极尖区的内凹结构和内凹中心的移动, 并利用Levenberg-Marquart多参量非线性拟合方法拟合了模型参数. 数值模拟研究表明, 在极端太阳风条件下, 随B_d增大, 磁层顶日下点距离减小, 磁层顶磁尾张角几乎不变; 随南向(IMF)B_z增大, 磁层顶日下点距离略有减小, 磁层顶磁尾张角减小, 极尖区内凹中心向低纬移动. 通过对2010年8月1日太阳风暴事件验证发现, 本文所建立的模型能够描述极端太阳风条件下的三维磁层顶位形.      

太阳风和磁层能量耦合系数的计算研究

本文利用1972—1974年期间十八次事例的太阳风和地磁资料,通过回归分析法计算了各次事例的太阳风和磁层能量的磁耦合参量α值.结果表明,不同事例的α值各不相同,而且显得十分离散.同时,对一些参数进行调节修正后,也不能从本质上改变α取值分散的特点.可见,对不同事例,能量传输机制有可能是不相同的,而电磁能量传输过程可能是最重要的,但不是唯一的.      

激波在行星际介质中的能量耗散

导出激波下游介质相对上游介质能流通量增量公式,并由HeliosA,B飞船太阳风观测资料得出不同流速太阳风流中各参量随日心距的幂律变化。以此作为背景值分别计算出磁能、内能、动能和总能在不同日心距离处的能量耗散率。结果指出激波后介质以动能增加为主,内能次之,磁能最少;总能耗率在近日处较大,但下降较快。从0.3-1.0AU,不同强度激波总能耗随初始Alfvén激波数A₁₀增大而增大,对A₁₀从2.0-10.0的计算结果与观测值一致。      

Three Dimensional Simulation of the Steady Solar Wind in Carrington Rotation 1935

A three-dimensional MHD simulation is conducted to study the steady solar wind in Carrington Rotation (CR) 1935 by using the three-dimensional numerical magnetohydrodynamic (MHD) model introduced by Feng et al. The numerical results demonstrate that the neutral current sheet has two peaks and two valleys, which is consistent with the result of PFSS model at Wilcox Solar Observatory (WSO). The obtained proton number density at 2.5 Rs is of the same order of magnitude as the result estimated from K-coronal brightness during the CRs 1733-1742 in 1983made by Wei et al. The radial velocity profile along heliocentric distance is consistent with that of low solar wind speed deduced by Sheeley and Wang et al. However, it is not able to reproduce the fast-speed flow in coronal holes and slow solar wind in streamers because of oversimplified energy equation adopted in our model. Future efforts must be made to remedy this deficiency.      

Three-dimensional global simulation of multiple ICMEs’ interaction and propagation from the Sun to the heliosphere following the 25–28 October 2003 solar events

This study performs simulations of interplanetary coronal mass ejection (ICME) propagation in a realistic three-dimensional (3D) solar wind structure from the Sun to the Earth by using the newly developed hybrid code, HAFv.2+3DMHD. This model combines two simulation codes, Hakamada–Akasofu–Fry code version 2 (HAFv.2) and a fully 3D, time-dependent MHD simulation code. The solar wind structure is simulated out to 0.08 AU (18 Rs) from source surface maps using the HAFv.2 code. The outputs at 0.08 AU are then used to provide inputs for the lower boundary, at that location, of the 3D MHD code to calculate solar wind and its evolution to 1 AU and beyond. A dynamic disturbance, mimicking a particular flare’s energy output, is delivered to this non-uniform structure to model the evolution and interplanetary propagation of ICMEs (including their shocks). We then show the interaction between two ICMEs and the dynamic process during the overtaking of one shock by the other. The results show that both CMEs and heliosphere current sheet/plasma sheet were deformed by interacting with each other.     

太阳表面水平运动驱动的磁圈与开放磁场重联的模拟研究

太阳大气的诸多观测事件(如耀斑、喷流等)均被归因于磁重联产生的能量转换. 近年来, 关于太阳风起源, 有研究提出了磁重联使闭合磁圈开放为太阳风供应物质的新模式. 在该模式中, 闭合磁圈被光球超米粒组织对流携带, 向超米粒边界运动, 与位于边界的开放磁场相碰撞进而发生磁重联. 该模式中磁重联的驱动及其效应是本文的研究目标. 磁流体力学(MHD)数值模拟是研究太阳大气磁重联物理过程的重要途径. 本文建立了一个二维MHD数值模型, 结合太阳大气温度和密度的分层分布, 在超米粒组织尺度上模拟了水平流动驱动的闭合磁圈与开放磁场的重联过程. 通过对模拟结果的定量分析, 认为磁重联确实能够将闭合磁圈的物质释放, 进而供应给新的开放磁结构并产生向上流动. 该结果为进一步模拟研究太阳风初始外流奠定了基础.      

Invariant Modulation of IMF Clock Angle on the Solar Wind Energy Input into the Magnetosphere

By use of the global PPMLR Magnetohydrodynamics (MHD) model, a serial of quasisteady- state numerical simulations were conducted to examine the modulation property of the interplanetary magnetic field clock angle θ on the solar wind energy input into the magnetosphere. All the simulations can be divided into seven groups according to different criteria of solar wind conditions. For each group, 37 numerical examples are analyzed, with the clock angle varying from 0° to 360° with an interval of 10°, keeping the other solar wind parameters (such as the solar wind number density, velocity, and the magnetic field magnitude) unchanged. As expected, the solar wind energy input into the magnetosphere is modulated by the IMF clock angle. The axisymmetrical bell-shaped curve peaks at the clock angle of 180°. However, the modulation effect remains invariant with varying other solar wind conditions. The function form of such an invariant modulation is found to be sin(θ/2)2.70 + 0.25.      

Geomagnetic activity driven by solar wind turbulence

Within the framework of the solar wind—magnetosphere coupled system, intense perturbations in the solar wind, causing geomagnetic storms and substorms, have been widely studied by means of the so-called coupling parameters. However, remarkable variations in the geomagnetic field occur even in absence of such perturbations. In those conditions, solar wind MHD turbulence might have a role. Recent results have shown that solar wind turbulence can be described not only as a mixture of inward and outward stochastic Alfvénic fluctuations, but includes also advected structures, dominated by an excess of magnetic energy.     

Comparison of global MHD simulation results with actual storm and substorm events

Global MHD models hold the promise of providing a physics-based understanding of magnetospheric structure and dynamics. As such models have become more sophisticated, and computing power has increased, it is now possible to model actual events using solar wind data as a boundary condition. In this paper we present some results MHD simulations of actual storm and substorm events. We will demonstrate that not only can the simulations reproduce details of events, they also are reproducing fundamental aspects of energy coupling between the solar wind and the magnetosphere in such a manner that we can distinguish storms and substorms.     

一类TVD型组合差分方法及其在磁流体数值计算中的应用

根据太阳风数值模拟的特点，考虑到算法的质量（收敛速度、稳定性、精度等），结合磁流体数值计算的特性，对三维球坐标磁流体动力学（MHD）方程组中的流体部分采用一种修正Lax-Friedrichs差分法而对磁场部分采用MacComack格式，发展了一类快捷的具有TVD特性的组合数值新方法，作为格式的检验，在一维情况下，将其与PPM格式进行了比较，对一维快慢磁流体激波问题得到了与PPM格式精度相同的结果，然后将其诮到定态太阳风的数值模拟上，在不同等离子体β情形下，可得到理想的太阳风定态结构，为今后将此数值模式应用到具有复杂磁场位型或三维直实太阳风暴的数值模拟研究奠定了基础。