利用粒子运动讨论等离子体电流片

本文我们利用了带电粒子在中性片磁场中的运动规律,讨论了一维等离子体电流片。我们引用了与阿尔芬的引导中心理论相类似的方法,将粒子在非小扰动区(在这个区内磁场很小或等于零)内的"8"字形运动分解成两个圆周运动。每一个圆周运动等效于一个小磁铁,因此"8"字形运动等效于两个极性相反的小磁铁。等离子体中的电流是根据j=en+c(这里有图片19820103-21-1.GIF)×M计算出来的,其中等离子体的分布函数是由粒子的运动常数给出的。计算结果表明电流片主要是由粒子在非小扰动区中的"反向漂移"产生的。与此同时我们还讨论了粒子运动与磁场之间的关系,并计算了其自洽场。      

带电粒子在近地球区运动的计算方法

基于磁层粒子动力学理论,根据单粒子方法和偶极磁场模型,在近地球区(L＜10),详细讨论了带电粒子的运动特征以及适合不同能量的带电粒子的计算方法,定量分析了磁层中的电场和磁场对各种能量的带电粒子漂移运动的影响.结果表明,对于能量低于105 eV的电子和102 eV的质子,宜采用引导中心近似方法;对于能量介于105～108 eV之间的电子和102～108 eV之间的质子,可在部分区域内采用引导中心近似方法,若运动区在10 Re内,则只能采用变步长的轨道法;而对于引导中心方法,粒子能量高于105 eV时可以忽略电场漂移的影响,粒子能量低于103 eV时不必考虑磁场漂移的影响,从而简化了引导中心方程组,提高了数值计算效率.      

HEO倾角长期漂移与控制策略

考虑日月引力对卫星轨道的扰动影响,分析了大椭圆轨道(HEO)倾角漂移规律,推导了小倾角HEO轨道的倾角长期漂移解析公式。结合HEO轨道倾角保持要求,给出了相应倾角控制策略。以STK为比较验证软件平台,经仿真分析与比较可知:文中推导的小倾角HEO轨道的轨道倾角解析公式较STK计算偏差在5%以内,验证了解析公式正确性;基于推导的倾角长期漂移解析公式,进行了倾角控制仿真,仿真结果表明了控制策略的有效性,并同时体现了倾角长期漂移解析计算公式在工程中的作用。     

磁尾粒子在晨昏电场作用下的散射与沉降

我们认为,在沉降粒子的形成中,磁尾粒子的散射是极其重要的。本文从粒子的轨道理论人手,通过对近900条粒子轨道的具体计算,研究了磁尾粒子在晨昏电场作用下的投掷角变化。计算结果清楚地显示出了磁尾粒子在晨昏电场的作用下,经历着明显的散射过程。运动经过非小扰动区的磁尾粒子在非小扰动区内经多次反射,磁矩不再是不变的,从而投掷角改变,使得一个原在磁尾为各向同性的投掷角分布,在粒子运动到远离中性线的近地区域时改变成为一个近麦氏分布。我们还研究了这些粒子的空间经历,发现这些离开磁尾进入近地区域的粒子在发生散射的同时还发生了空间分离——晨昏分离、纬向分离以及质子和电子之间的相对空间分离,给出了清晰的粒子沉降图象。      

上游太阳风中高能电子向同步轨道区的传输

通常认为，同步轨道区的电子通量增加是由于磁暴或者上游太阳风高速流的扰动所引起．近来的观测表明，起源于太阳活动的行星际高能电子也是引起同步轨道电子通量增加的重要原因之一．Zhao等在研究2000年7月14日太阳剧烈活动时发现，同步轨道区相对论电子通量巨幅增加时没有观察到上游太阳风高速流的扰动，并且磁暴发生在电子通量事件之后．采用解析磁场模型和实际磁场模型(T96模型)模拟来自太阳的相对论电子在磁尾中的运动特性．计算结果表明，当行星际磁场南向时，进入到磁尾的行星际相对论电子可以从较远的磁尾区域运动到同步轨道区域．这一研究结果从理论上论证了起源于太阳活动的高能电子可以对同步轨道区相对论电子通量的增加产生重要的作用．     

三维试验粒子轨道法在磁层粒子全球输运中的应用

根据磁层粒子动力学理论, 通过偶极磁场模型验证利用三维试验粒子轨道方法模拟近地球区(r < 8R_e)带电粒子运动特征的可靠性. 在此基础上, 以太阳风和磁层相互作用的全球MHD模拟结果为背景, 利用三维试验粒子轨道方法, 对非磁暴期间南向行星际磁场背景下太阳风离子注入磁层的情形进行数值模拟, 并对北向行星际磁场背景下太阳风离子注入极尖区以及内磁层的几种不同情形进行了单粒子模拟. 模拟结果反映了南向和北向行星际磁场离子向磁层的几种典型输入过程, 揭示出行星际磁场南向时太阳风粒子在磁层内密度分布的晨昏不对称性以及其在磁鞘和磁层内的大致分布, 并得出统计规律. 模拟结果与理论预测和观测结论相一致, 且通过数值模拟发现, 行星际磁场北向时靠近极尖区附近形成的非典型磁镜结构对于能量粒子经由极尖区注入环电流区域过程有重要的影响和作用.      

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.      

几种材料的磁层亚暴环模试验

<正> 一、引言星际空间存在运动着的带电粒子。当太阳风粒子到达地球磁层顶且随着太阳风粒子而来的星际磁场,指向地磁南极时,太阳风中的感应电流产生的附加场使地磁场发生畸变。迎着太阳的一面较为扁平,而背着太阳的一面形成一个很长的磁尾。在磁尾区,太阳风粒子的注入(它们的能量为几十电子伏到几千电子伏)引起了高能粒子的大量增加。这些高能粒子在     

低高度内辐射带高能质子空间分布位形的研究

利用国际地磁参考场模式(IGRF模式)分析了1970-2000年低高度南大西洋负磁异常区位形的漂移与变化，给出了几个高度异常区中心位置磁场强度的变化和位置的变化。利用带电粒子的运动学方程，简要分析了低高度辐射带高能粒子的运动，得出在低高度，磁场是决定辐射带高能粒子空间强度与分布的决定性因素．低高度辐射带空间分布位形的变化特征应该与低高度南大西洋负磁异常区的变化特征基本一致．低高度南大西洋负磁异常区的特征可以作为低高度辐射带空间分布位形的一个初步判据。     

有限β等离子体中密度和磁场不均匀驱动的动理学Alfven波

在分析有限β等离子体中的密度、磁场不均匀引起的漂移波不稳定性的基础上，剖析了漂移波不稳定性对动理学Alfven波激发的作用．动理学理论能正确地处理有限拉莫半径效应和波粒共振相互作用，本文根据带电粒子在电磁场中的运动特性，采用Vlasov方程描述离子运动，运用漂移动理学方程对电子运动进行描述．密度不均匀和磁场不均匀对产生漂移不稳定性的对比分析表明：在有限β等离子体中，密度不均匀比磁场不均匀更易激发漂移不稳定性，且密度不均匀激发漂移不稳定性中的能量转换和转移更为强烈．这种能量的转换为动理学Alfven波的激发提供了物理基础．所得数值解表明：动理学Alfven波在磁层中能广泛地被激发产生，特别是在磁层空间的极尖区、磁层顶和等离子体片边界层等具有明显的不均匀性区域中更容易被激发产生．本文的研究结果进一步表明动理学Alfven波对磁层空间中能量传输具有重要作用．     

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。      

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。      

磁层顶对磁层磁场的影响

太阳风与地磁场相互作用形成的磁层顶对磁层内磁场有重要影响。本文假定地磁场为偶极子,太阳风为理想导体,在太阳风与磁层的边界上满足磁场法向分量为零的边界条件。采用最小二乘法求得磁层顶电流在磁层内产生的磁场的球谐系数。从计算结果可以看出磁层顶对磁层磁场的影响。结果表明,向阳面的磁场、中性点、极光区的位置与形状与实际观测比较接近;磁尾磁场与实际观测相差较远,原因是没有加上磁尾片电流。文中还给出了太阳风与地磁轴交不同角度时的磁层磁场的计算结果。      

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.      

中性电流片的形成和环形日冕瞬变

在双极背景场下,光球层反向磁通量的喷发将会在新老磁场之间形成中性电流片.本文从理想磁流体方程组出发,考虑磁场和日冕等离子体的相互作用,对上述电流片的形成过程进行了数值研究.结果表明,对亚音速喷发,将由里向外形成四个区域:(1)由喷发物质直接形成的低温,高密度日珥,位于最里层;(2)紧挨抛射日珥的低温稀疏区;(3)喷发物质和日冕物质向中性电流片集中形成的高温.高密度物质环;(４)在环的周围,由快磁声波形成的,密度略比日冕背景为高的前鞘区.上述结构与典型的环形日冕瞬变的观测特征相符.由此表明双极背景场下反向磁通量的喷发可能是触发这类瞬变的重要机制.      

Coupling of the interstellar and interplanetary magnetic fields at the heliospheric interface: The effect of neutral hydrogen atoms

We present numerical results showing the effect of neutral hydrogen atoms on the solar wind (SW) interaction with the local interstellar medium (LISM), where the interstellar magnetic field (ISMF) is coupled to the interplanetary magnetic field (IMF) at the surface of the heliopause. The IMF on the inner boundary surrounding the Sun is specified in the form of a Parker spiral and self-consistently develops in accordance with the SW motion inside the heliopause. The model of the SW–LISM interaction involves both plasma and neutral components which are treated as fluids. The configuration is chosen where the ISMF is orthogonal to the LISM velocity and tilted 60° to the ecliptic plane. This orientation of the magnetic field is a possible explanation of the 2–3 kHz emission data which is believed to originate ahead of the heliopause. It is shown that the topology of the heliospheric current sheet is substantially affected by the ISMF. The interaction pattern dependence on the neutral hydrogen density is analyzed.     

二维磁流体动力学平衡日冕(Ⅱ)

基于解析和数值相结合的方法,进一步讨论了非均匀引力场中日冕的二维磁流体动力学平衡。对临界点进行了比较仔细的处理。得到了包含闭场区、中性片和开场区的大尺度日冕磁场位形,闭场区和中性片构成冕流结构。在高纬和低纬地区几个太阳半径之外,等离子体径向流动速度超过了局地声速和局地Alfvén速度。在1AU处,太阳风速度可达到400kms_-1以上      

磁尾中性片与磁尾正交曲线坐标系

根据磁尾中性计随地磁倾角变化的特点用光滑函数拟合中性片曲面模式,并用ISEE卫星的磁场资料来确定曲面参数。本中性片模式既保持了中性片的基本变化特征,又可以在近地处光滑过渡到赤道面。在此基础上,建立了一个以中性片曲面为坐标面的磁尾正交曲线坐标系。这个坐标系随地磁倾角的变化而变化,用这个坐标系可将不同的地磁倾角的磁场位形变换成地磁倾角为零时的标准形式,从而便于分析卫星的观测数据。      

1980年7月14日耀斑和磁流浮现模型

本文利用云南天文台耀斑H_α巡视观测、活动区白光照相及速度场资料,结合SMM的X射线资料和北京天文台的射电观测资料,对1980年7月14日日面3B级大耀斑进行了综合研究。对照耀斑过程的磁流浮现(EMF)模型,我们分析了活动区的形态变化特征,估算了耀斑释放的磁能、耀斑过程的特征时间及耀斑爆发时加速的电子总数和加速电子的平均能量。结果表明:(1)耀斑过程的EMF模型与观测结果基本符合,可以认为EMF模型能够较好地说明耀斑的物理过程。(2)根据对速度场资料及耀斑产生位置的分析,初步认为电流片可能位于速度中性线与磁中性线的交点处及其附近,或速度中性线与暗条的交点处及其附近[3]。(3)观测和计算表明,硬x射线爆是由电流片中加速的高能非热电子所产生,而软X射线爆则由耀斑区的高温等离子体的热轫致辐射所产生。