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.      

1978—1988年间磁扰的分析与日地耦合

用1978-1988年间行星际磁场(IMF)的B_z分量、极光区AL指数和赤道附近地磁台Z分量等资料探讨了日地耦合中的主要物理过程。B_z的11年变化大致与太阳活动程度相当,但AL和赤道附近ΔZ更多地受磁层和电离层内部过程所控制。分析中强调了对国际磁抗日按物理过程进行分类的必要性。      

木星磁层熵参量的计算与分析

空间等离子体熵的不守恒可能来自于磁场位形改变和非绝热过程.熵参量PV~(5/3)被广泛应用于分析地球磁层等离子体片中的输运问题,其中,P为压力,V为单位磁通量管的体积.通过熵参量的分布和变化可以判断磁层的稳定性及揭示磁层中的动力学过程.本文利用地球磁层中熵参量的分析应用,计算了木星稳态磁层模型中磁通量管的熵参量分布.从5R_j(R_j为木星半径)到55_j,熵参量增加了4个量级,55 R)_j之后有所下降,表明所用磁层模型在55R_j之外已经不稳定.同时,假想磁场重联后的单位磁通量管的熵参量分布表明,赤道面中远磁尾的磁场重联是由尾向输运的磁力线管拉伸断裂重联引起的.     

磁扰期间的三维漂移壳分离

基于磁层粒子动力学理论,首先对比了计算漂移壳分离的引导中心法和磁力线追踪法,计算表明两种方法的计算结果一致.然后分别采用T89c和T96磁层磁场模式,用磁力线追踪法数值计算了不同初始位置(≤9Re)、不同初始投掷角、不同Kp指数和不同太阳风压力下,带电粒子的漂移壳分离.计算结果揭示了漂移壳分离随初始位置、投掷角、Kp指数和太阳风压力的变化.其具体特征如下. (1)随着径向距离的增大,漂移壳分离效应愈加显著,由正午出发的粒子将被稳定捕获,而午夜出发的径向距离≥7Re的部分大投掷角粒子将沿磁层顶逃逸. (2)正午出发的粒子,漂移到午夜时其漂移壳随投掷角减小向外排列;午夜出发的粒子,漂移到正午时其漂移壳随投掷角增大排列; 90°投掷角粒子在磁赤道面的漂移壳沿着磁场等值线排列. (3)漂移壳分离随Kp指数和太阳风压力增大变得显著,且随这两种扰动参数的变化特征和趋势是基本相似的.      

非均匀双流等离子体中波传播耦合波动方程

我们利用麦克斯韦方程组和矩方程组,研究了非均匀双流等离子体在电流源作用下,激发波的耦合过程。给出了三模[P_e,P_i,E_o]耦合的普遍方程▽2[P]-[C]·▽[P]+[K2][P]=[D][▽·(ω_p2E_o)]。作为一特例,本文首先研究了均匀、有损失(v≠0)双流等离子体中,等离子体波的耦合过程。指出v≠0,即使在均匀等离子体中,也将产生电子等离子体波和离子等离子体波间耦合。但不出现光学模和等离子体模间耦合。      

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.      

卫星距离的新经验公式及其说明

本文求出木卫、土卫、天卫系中卫星离行星的距离α_n的一种新经验公式:α_n=B₁·Bn,其中B₁、B对各卫星系是常数.由此计算结果与观测值偏差一般小于10%.我们认为,卫星是在行星周围的气体-星子盘中,通过小星子聚集形成的,盘中主要成分是气体,气体阻尼效应在星子聚集形成卫星过程中起重要作用.分析表明,盘中的一种径向小扰动可以导致引力不稳定性而形成密度增加的气体环系.在这种环系中小星子聚集形成卫星.环分布形式导致距离规律.      

日球基本参数的冕洞周变化与冕洞大气

本文利用MHD波与日冕大气耦合的磁流体动力学方程组,计算得到冕洞内的日冕大气的温度T、密度N和流速V的分布.根据这些量的分布特点,认为日球基本参数T、N和V的冕洞周变化,可以用冕洞磁场的非径向因子a值,随黑子活动的下降而变小来解释.      

基于嫦娥一号高能粒子数据的地球磁层屏蔽效应研究

月球绕地球运行轨道约有1/4位于地球磁层内,因此,地球磁层是否会为月球轨道附近高能粒子提供足够的磁场屏蔽对于探索月球活动具有重要影响.嫦娥一号是中国首颗绕月人造卫星,其绕月飞行的工作轨道距离月球表面200 km.通过对嫦娥一号高能粒子探测器(HPD)的探测数据进行分析,比较了当月球位于地球磁层内外6个不同能道(能量范围4～400 MeV)时质子通量的变化,发现当月球位于地球磁层内时,这些能道的质子通量并没有发生显著减少,结果表明地球磁层不能为月球轨道附近高能粒子提供显著的磁屏蔽.     

日冕冲浪形成的磁流体动力学模拟

应用二维时变可压缩磁流体动力学模拟,数值研究了双极-单极磁场中电阻撕裂模不稳定性引起的磁场重联过程,用于模拟日冕冲浪的形成.结果表明,在包含有三区——双极场、电流片和单极场的磁静力平衡初态下,双极场和单极场中的磁力线将会直接重联,磁场演变成鞭状(whip)结构.由弯曲磁力线支撑的等离子体团向上运动到最高位置后,逐渐下落和弥散.等离子体团上升速度可达到0.10v_A(v_A为双极场中的Alfv'én速度).模拟结果证实日冕冲浪的形成可能与双极-单极场中的磁场重联密切相关.      

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.      

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。      

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。      

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。      

强磁场结构在行星际空间膨胀的数值模拟

本文研究了强磁场结构在18—240R_s的行星际空间的膨胀效应。模拟结果表明, 强磁场结构的膨胀能够形成典型的磁云剖面结构;膨胀速度明显依赖于磁场强度的大小;强磁场结构运动的速度直接影响到它的动力学特性。      

离子温度对磁化等离子体中非线性静电波的影响

本文讨论了无碰撞磁化低β等离子体中离子温度对非线性静电波的影响。结果表明,在参量α≡T_i/T_e≠0条件下,存在着三种非线性静电波(T_i和T_e分别为离子和电子的热能):在波速ν_p>(1+α)(1/2)c_s情况下存在着非线性离子回旋周期波;在(1+α)(1/2)c_scosθp<(1+α)(1/2)c_s情况下存在着离子声孤立波;在v_p<(1+α)(1/2)c_scosθ情况下存在着非线性离子声周期波。当参量α增加时,孤立波的波幅(最大电位)减小,而另外两种非线性周期波的电位幅度都几乎保持不变。      

太阳风局部加速的磁流体力学过渡特征

本文讨论了轴对称磁力线管中太阳风从亚声速和亚阿尔文速度加速到超声速和超阿尔文速度的过程。考虑到流动和场的二维效应以后,除去临界声速线M2=1以外,还有临界阿尔文速线M_A2=1和M2+M_A2=1。这时,磁力线管中存在三次过渡,使磁流体力学方程组的类型从椭圆型变为双曲型,再变为椭圆型,最后变为双曲型。由于日冕中的典型声速和阿尔文速度具有相同的量级,而且人们对磁力线管的急剧膨胀很有兴趣,这就需要讨论二维磁流体力学方程组的自(冫合)解。太阳风的局部流管中有可能出现多次过渡的流动特征。      

Kink-like mode of a double gradient instability in a compressible plasma current sheet

A linear MHD instability of the electric current sheet, characterized by a small normal magnetic field component, varying along the sheet, is investigated. The tangential magnetic field component is modeled by a hyperbolic function, describing Harris-like variations of the field across the sheet. For this problem, which is formulated in a 3D domain, the conventional compressible ideal MHD equations are applied. By assuming Fourier harmonics along the electric current, the linearized 3D equations are reduced to 2D ones. A finite difference numerical scheme is applied to examine the time evolution of small initial perturbations of the plasma parameters. This work is an extended numerical study of the so called “double gradient instability”, – a possible candidate for the explanation of flapping oscillations in the magnetotail current sheet, which has been analyzed previously in the framework of a simplified analytical approach for an incompressible plasma. The dispersion curve is obtained for the kink-like mode of the instability. It is shown that this curve demonstrates a quantitative agreement with the previous analytical result. The development of the instability is investigated also for various enhanced values of the normal magnetic field component. It is found that the characteristic values of the growth rate of the instability shows a linear dependence on the square root of the parameter, which scales uniformly the normal component of the magnetic field in the current sheet.     

强短波衰落事件的太阳活动区磁场位形先兆

本文利用北京天文台提供的高空间分辨率的活动区纵场磁图对1988年的18个活动区进行分析研究,以寻求强SWF耀斑的先兆.结果表明,一磁流在异极性磁流区浮现,同极性磁流合并、异极性磁流侵入和纵向磁场强度剧增4种磁位形演化与强SWF耀斑有密切关系。文中还用1988年9—10月份的25个活动区的磁图和耀斑资料佐证上面的结果。