火星磁场产生的原因及其分布

构建了一个可以得到火星赤道面上磁场分布的模型. 模型根据卫星观测数据, 提出了火星电离层、磁层顶和磁尾电流片上都各自通有电流的假设. 由电流的连续性条件可知, 这三种背景条件下的电流之间满足一定关系, 即火星磁层顶上的总电流是电离层上的总电流与磁尾电流片上的总电流之和. 这些电流产生的磁场与太阳风磁场共同构成了火星赤道面上磁场分布. 通过计算发现, 采用这种磁场模型得到的结果与目前卫星所观测的结果以及与采用其他方法得到的结果符合得较好.      

行星际磁场对磁尾场向电流发生率的影响

利用Cluster卫星的磁场和等离子体探测数据, 研究了行星际磁场(IMF)时钟角(clock angle) Φ和锥角(cone angle) θ对磁尾等离子体片边界层(PSBL)区场向电流发生率的影响. 当时钟角Φ >0时, 磁尾场向电流 的发生率较高, 这表明磁尾场向电流的发生与昏向太阳风条件更为密切; 当 90°<|Φ|<180°时, 场向电流的发生率较高, 这表明 场向电流的发生与南向IMF更为密切. 当锥角θ <30°时(即IMF与 日地连线夹角较小时)场向电流的发生率较低. 而当θ> 30°时, 场向电流在90°<|Φ|<180°的情况下发生率明显增大, 这说明南向IMF情况下, 场向电流发生率明显增大. 但是当|Φ|<90°时 (北向IMF情况下), 尽管θ很大, 场向电流的发生率并未明显增大. 当θ>70°时, 且在140°< < i>Φ<160°的行星 际磁场条件下, 磁尾等离子体片边界层区场向电流的发生率最大.      

行星际磁云与日球电流片相互作用的实例分析

基于1995-2007年Wind飞船观测到的105个磁云事件, 按照磁云在地球附近是否与日球电流片发生碰撞, 将其分为碰撞和未碰撞两类, 得到初步分析结果. ①可能与日球电流片发生碰撞的磁云事件有51例, 约占事件总数的49%; ②发生碰撞时, 磁云与日球电流片之间的相互作用区内呈现动力学相互作用增强的趋势, 例如多呈现局部的磁场方向间断结构(或称局域电流片结构), 伴随磁场强度下降、质子温度升高、部分质子速度分量出现跃变, Langmuir波或100~250,kHz的离子声波出现增强,这些现象可能与碰撞相互作用区域内发生的磁重联有关; 没有碰撞时这些特征一般不明显; ③至少有15个事例中, 磁云前后背景磁场的极性相反, 或磁场极性反转的位置位于磁云内部, 显示磁云可能正在跨越电流片运动; ④在几个磁云事件中发现磁云的亮环和亮核纤维结构. 这些极为初步的分析结果有利于了解磁云与日球电流片之间的相互作用过程.      

中心等离子体片的地向对流型高速流

在GSM坐标系下, 利用TC-1卫星和Cluster/C1卫星上4s分辨率的磁场和热离子探测数据, 对中心等离子体片内的地向对流型高速流进行了统计研究(-19 Re < x< -9 Re, |y| < 10 Re, |z|< 5 Re). 统计结果表明, 地向对流型高速流会在15 Re以内出现``刹车', 在11.5 Re附近时出现``缺失'. 进一步对其速度特征进行统计分析. 结果显示, 在中心等离子体片内的高速流, 其运动方向主要为地向, 晨昏和南北方向的运动明显较弱; 在对流型高速流的地向输运过程中, 其峰值速度没有明显的下降; 在近地13 Re以内, 等离子体片内的地向对流型高速流具有较强的垂直磁力线运动速度. 这意味着对流型高速流在近地15 Re以内的“刹车”不是由高速流晨昏或南北方向的偏转造成的. 高速流在11.5 Re附近时出现的``缺失'可能与在15 Re以内出现``刹车'密切相关. TC-1卫星和Cluster卫星的观测为了解中磁尾重联高速流地向输运过程及亚暴膨胀相触发提供了重要的观测依据.      

近地磁尾方位角流期间的场向电流增强

以往研究表明,地向高速流在近地磁尾可演化为方位角流,电离层内的方位角流和极光膨胀活动发生时,通过磁力线追踪到近地磁尾等离子体片的对应部分通常为地向和方位角高速流.通过对2016-2018年THEMIS卫星计划中THA,THD,THE三颗卫星同时观测到的数据进行分析、甄别后,在筛选出的62个事件中挑选一个典型的方位角流事件,与过去单颗卫星在不同时间段内的观测数据统计平均给出的结果进行对比分析发现,三颗卫星同时观测到的数据与过去单颗卫星在不同时间段内观测数据的统计平均结果存在较大差异.通过比较此事件期间等离子体流在xy平面的流场图发现,场向电流的大小与三颗卫星同时观测到的流场剪切度有较好的相关性.研究结果表明,方位角流期间近地磁尾和电离层通过场向电流耦合时,场向电流并不是在一个较宽的磁地方时内均匀分布,而是在一个局域化区域及较短的时间内产生强场向电流,这可能是由于方位角流在xy平面内的强剪切而造成的.      

各向异性等离子体多重电流片的演化

应用二维三维量磁流体动力学方程组模拟，数值研究了压力各向异性等离子体周期多重电流片的演化，发现在β＜＜1时，微弱的各向异性仅仅使电流片中磁场重联的速度加快，而当β≈1（即热压与磁压相当时，微弱的垂直各向异性不仅大大加速了磁场重联的速度，还使重联位置发生显著变化。初始反对称的磁场重联位形逐步转化为对称的磁场位形，进而再演化为与初始反相的反对称磁场位形，场向各向异性和强的垂直各向异性都导致不稳定性增长率成倍增加。但在场各向异下磁场位形基本不变，只在电流片中心出现不规则扰动，同样参数下向向异性等离子体多重电流片中磁场重联形成的磁岛比各向同性多层电流要小。     

电流片的稳定性问题

本文从理想磁流体力学出发,分析了固结在光球层上的半圆弧形电流片的线性稳定性。主要结论是:当沿电流方向的磁场小于某临界值时,电流片将不稳定,且最先引起不稳定的扰动模沿电流方向的波数近似为电流片圆弧直径的倒数。      

电流片的形成

采用二维三分量的耗散磁流体力学模型,对由于光球层的剪切运动引起的四极磁场内电流片的形成过程进行数值模拟。结果表明,磁分隔线在磁场的演化过程中起关键作用。电流主要在分隔面和根部剪切梯度较大的磁环中形成,其中在分隔线上最强。磁分隔线可以被拉长,形成强电流片,随着速度剪切位置的不同,电流片的形成模式也不同,既可以形成与光球层垂直的电流片,也可以形成平行的电流片。      

磁尾瓣区的场向电流

本文利用ISEE-2卫星的磁场和粒子资料(电子:75keVδ<1300keV,质子:170keVp<400keV),发现在磁尾远离等离子片的尾瓣区,常常同时探测到粒子脉冲和横向磁场扰动,表明有场向电流片存在。电流片的积分强度在3.3—21mA/m之间,与Frank等在磁尾等离子片边界上测量到的场向片电流积分强度可相比较。电流片总是成双成对,电流片的强度与AE指数或亚暴的关系密切。和磁层其他区域不同,在磁尾瓣区,经常探测到△B_x和△B_y同时存在,且△B_x和△B_y可相比拟的情形,它们可以用运动的线电流或不均匀密度的电流片来解释。      

基于Cluster观测的磁尾场向电流在南北半球投影位置的分布

利用Cluster四颗卫星的磁场探测数据计算磁尾场向电流并投影到极区电离层,研究其投影位置在南北半球的分布规律,统计过程中去除了强磁暴（磁暴主相Dst<–100 nT）期间的场向电流事件。结果显示:磁尾场向电流事件在极区投影位置的纬度分布具有明显的南北半球不对称性,北半球为单峰结构,南半球为双峰结构。在北半球投影到较低纬度（<64°）的场向电流事件数目明显多于南半球,并且所能达到的最低纬度更低;在南半球投影到较高纬度（>74°）的场向电流事件数目明显多于北半球,并且所能达到的最高纬度更高。地磁平静条件下（|AL|<100 nT）,磁尾场向电流密度随磁地方时（MLT）呈递增趋势,这一结果与低高度卫星在极区对I区场向电流的探测结果符合很好。研究结果表明,磁尾场向电流投影位置的纬度分布呈现出明显的南北不对称性,这与南北半球磁尾场向电流的空间分布以及磁层中磁场结构具有密切关系。      

Understanding magnetotail current sheet meso-scale structures using MHD simulations

Recent Cluster observations have strongly supported the existence of meso-scale structure in the magnetotail current sheet. In our study, a magnetohydrodynamic simulation event study exhibited current sheet behavior comparable to that seen in the Cluster observations. Geotail and DoubleStar observations also show that the simulation is providing a realistic representation of the magnetosphere during the period of interest; that is, when the current sheet evidently becomes bifurcated. The magnetohydrodynamic simulation allows us to place the local observations into a global contest. It shows that the observations can be explained in terms of localized reconnection tailward of the Cluster location and the formation of a flux rope nearby. The simulation also features wave-like structure across the current sheet.     

磁扰动和磁静时近地等离子体片中脉冲电场的分布

Ｇｅｏｔａｉｌ卫星的电场数据被用于分析近地磁尾等离子体片中电场在磁扰动（Ｄｓｔ＜－２５ｎＴ）和磁静时（Ｄｓｔ＞－２５ ｎＴ的统计分布．结果表明，伴随着地向高速离子流，在Ｘ＞－１６Ｒｅ以内区域出现强电场（高达 ５—８ ｍＶ／ｍ）．磁扰动期间强电场的幅值较磁静时大，并且出现在更靠近地球的位置．较强和较靠近地球的强电场与磁扰动时更薄的等离子体片和更接近地球的等离子体片内边界相联系．观测结果意味着磁扰动期间的亚暴可能更有效地将高能粒子注射到环电流中．这对磁暴和亚暴的关系问题的解决有重要意义．     

火星空间大尺度电流体系分布特征

在MHD模型基础上, 对火星空间环境的电流分布进行了模拟. 结果表明, 火星空间存在着弓激波电流、磁堆积区电流、电离层电流和磁尾电流. 弓激波电流在激波曲面上均由北向南自成体系, 电流密度在弓激波顶区域较大. 在向阳面磁堆积区边界电流与电离层电流彼此耦合形成完整的回路, 在背阳面磁堆积区边界电流与磁尾中心电流片耦合形成完整的回路.      

A Theoretic Interpretation of Movement of the Cusp Equatorward Boundary

A preliminary model is proposed to describe quantitatively the position and movement of cusp equatorward boundary. This integrated model, consisting of an empirical model of the magnetopause and a compressed dipolar model of Open/Closed field line, connects quantitatively the solar wind conditions, subsolar magnetopause and cusp equatorward boundary. It is shown that the increasing solar wind dynamic pressure and the increasing southward Interplanetary Magnetic Field (IMF) component drive the magnetopause to move inward and the cusp equatorward. This model is adopted to interpret quantitatively the cusp movement of August 14, 2001 observed by Cluster. The results show that the subsolar magnetopause moved earthward from 10.7 He to 9.0 Re during the period of 002300-002800 UT, and correspondingly the cusp equatorward boundary shifted equatorward. The observations of Cluster C1 and C4 show the cusp equatorward boundary that Cluster Cl and C4 were crossing during same interval moved equatorward by 4.6°. The cusp equatorward boundary velocity computed in the theoretical model (10.7km/s) is in good agreement with the observed value (9.4km/s) calculated from the data of CIS of Cluster C4 and C1.     

Evaluation of substorm models with Cluster observations of plasma flow reversal in the magnetotail

We evaluate two prevailing substorm models with an event of plasma flow reversal from tailward to Earthward detected by Cluster at the downstream distance of ∼19 R_E in the magnetotail during a substorm on August 22, 2001. We use the unique capability of Cluster measurements in determining gradients to examine the associated current density, Lorentz force, and current dissipation/dynamo term. In association with plasma flow reversal, it is found that (1) there was no clear quadrupole magnetic perturbation signature, (2) the x-component of the Lorentz force did not change sign, (3) the y-component of the product of the current density and the electric field was occasionally negative indicative of a dynamo effect, and (4) the timing sequence of flow reversal from the Cluster configuration did not match tailward motion of a single plasma flow source. These observations are consistent with the near-Earth initiation model for substorms with multiple current disruption sites moving progressively tailward near the late stage of substorm expansion.     

Study of waves in the magnetotail region with cluster and DSP

The study of the neutral sheet is of fundamental importance in understanding the dynamics of the Earth’s magnetosphere. From the earliest observation of the magnetotail, it has been found that the neutral sheet frequently appears to be in motion due to changing solar wind conditions and geomagnetic activity. Multiple crossings of the neutral sheet by spacecraft have been attributed to a flapping motion of the neutral sheet in the north–south direction, a wavy profile either along the magnetotail or the dawn–dusk direction. Cluster observations have revealed that the flapping motions of the Earth’s magnetotail are of internal origin and that kink-like waves are emitted from the central part of the tail and propagate toward the tail flanks. This flapping motion is shown here to propagate at an angle of ∼45° with x_GSM. A possible assumption that the flapping could be created by a wake travelling away from a fast flow in the current sheet is rejected. Other waves in the magnetotail are found in the ULF range. One conjunction event between Cluster and DoubleStar TC1 is presented where all spacecraft show ULF wave activity at a period of approximately 5 min during fast Earthward flow. These waves are shown to be Kelvin–Helmholtz waves on the boundaries of the flow channel. Calculations show that the conversion of flow energy into magnetic energy through the Kelvin–Helmholtz instability can contribute to a significant part of flow breaking between Cluster and DoubleStar TC1.     

TC-1和Geotail对亚暴过程中近地等离子体片磁扰动的联合观测

以2004年9月28日02:53:20 UT的亚暴为例, 通过TC-1在磁尾约12.5 R_e 和Geotail卫星在近地磁尾等离子体片约8～9 R_e的联合观测, 研究亚暴触发过程中近地磁尾等离子体片中等离子体波动特征. 结果表明, 亚暴触发区是近地磁尾中心等离子体片中较小的一个区域, 在亚暴触发区中低混杂不稳定性在近地磁尾等离子体片中存在, 准垂直传播的低混杂波发生在亚暴触发过程中, 而亚暴触发过程中近地磁尾等离子体片外边界区内的磁场偶极化信号和扰动都非常微弱. 在亚暴触发和亚暴膨胀相过程中出现了多次具有不同特征的磁场偶极化现象.      

近地尾向流和磁场偶极化——TC-1卫星观测结果

2004年10月12日, 在01:30---04:30 UT期间, 位于向阳侧磁层顶附近的Geotail卫星探测到行星际磁场为持续南向. 此太阳风条件驱动了一个小磁暴, Sym-H指数在04:12 UT达到最小值-33nT. 在磁暴主相期间, AE指数维持在较高的水平, 其最大值达400nT. 02:00---03:00 UT期间, TC-1卫星在近地磁尾(-10.6, 3.2, -0.1)Re处观测到明显的亚暴膨胀相特征和磁场偶极化过程. 在偶极化前1min, 有较强的(v_x<-100 km/s)持续时间超过3min的尾向流发生. 分析发现该尾向流具有低温、高密度和沿磁场流动的特点, 这说明尾向流具有来源于电离层风的特征. 尾向流期间, TC-1观测的磁场分量Bx和总的磁场强度增加, 磁倾角减小, 磁场结构变成非偶极型, 说明尾向流对磁场结构有一定的影响, 文中尝试给出了相应的物理解释. 观测表明, 该事例中的近地磁尾尾向流可能对磁场偶极化过程的发生有重要意义.