环电流区能量离子分布特性研究

为了考察环电流区离子的分布情况,采用环电流粒子理论模式,对环电流中10-100 keV的离子进行了模拟研究.这个模式能够根据近地注入区外边界处离子的分布函数得出磁暴主相期间环电流中的主要成分H+,O+,He+3种离子的通量分布.计算结果分析表明,在其他条件相同的情况下,不同种类离子的通量分布的形态结构十分相似.电场强度对环电流离子通量的空间分布具有决定性的作用;晨昏电场强度越强,离子的通量越高;晨昏电场越强,环电流离子的内边界越接近地球.10keV的离子在电场相当弱的时候还是存在着连续的通量分布,但他们的形态和结构随着电场的变化有明显的变化.电场很弱时,离子分布主要集中于内外两个环带,离子通量在晨侧的更多一些,离子通量的最大值基本上是在比较靠近地球的环带上;随着电场的增强,离子分布的内外两个环带逐步合并,离子的分布逐渐靠近地球,通量分布的最大值也移动到了昏侧.环电流离子投掷角分布具有各向异性,投掷角在90°左右的时候,离子通量能达到最大值.      

伴随磁层稳态对流的磁暴及磁暴期间环电流的特征

参考活跃的磁层稳态对流标准，选取了2001—2017年12个伴随磁层稳态对流的磁暴，研究发现这些磁暴存在以下共性:有长达约10h的漫长主相；其SYM-H存在一个最小值的平台期，约持续3～10h；这些磁暴发生时，部分环电流持续位于昏侧，其持续时间和行星际磁场分量B_z的稳定南向驱动时间相等.此外，这些磁暴发生时，其平台期的环电流离子的寿命为2.4～5.5h，比一般的大磁暴事件中离子寿命长，且其寿命与平台期长短没有明显关系.伴随稳态对流的大磁暴发生时，环电流离子寿命长，环电流衰减慢，推测是稳态对流期间能量持续而稳定注入磁层导致的.      

1997年1月6—11日日地连接事件：对磁暴—环电流—对流电场的讨论

给出了1997年1月6—11日日地连接事件的太阳风和行星际扰动及由此产生的地磁扰动特征．利用这些资料对磁暴-环电流-对流电场的分析表明,磁暴主相（或环电流）的开始主要是IMF南向分量形成的对流电场直接驱动的结果;对流电场在磁暴主相的形成中有极为重要的作用;但在主相发展的不同阶段作用不同     

磁暴期间环电流离子中性原子成像的模拟与观测比较研究

采用已经建立的环电流离子解析模型,结合Chamberlain地冕中性层模型,研究了2004年11月一次大磁暴期间的环电流区域中性原子(ENA)图像.结果表明,模拟的ENA图像与TC-2卫星搭载的中性原子成像仪(NUAUD)的观测图像在方位角或地方时分布、高度或纬度分布和能谱分布方面存在一定的差异.如果依据磁暴发展的不同阶段来选择环电流离子模型的方位角不对称因子和通量最大方向的方位角,增大地冕中性层在低高度区域的密度或者考虑氢(H)以外的其他中性成分,改进注入边界处的离子能谱分布函数,且考虑不同种类环电流离子的比例随磁暴发展可能发生的变化,该模型有望产生更符合观测的模拟ENA图像.     

磁暴期间电离层电磁离子回旋波的地方时分布差异

利用Swarm卫星的高精度（50 Hz）磁场观测数据，对2015年3月16—25日磁暴期间中纬度电离层电磁离子回旋（EMIC）波时空分布特征进行了研究.结果表明:晨侧EMIC波事件数与昏侧大致相当，午前时段明显多于子夜前时段.昏侧EMIC波高发生率与等离子体羽状结构有关，晨侧EMIC波高发生率与太阳风动压增强及稠密冷等离子体有关.晨侧-正午前EMIC波频率高于昏侧-子夜前，表明源区位置以及离子成分占比存在地方时差异.昏侧事件大多发生在早期恢复相，晨侧事件大多发生在晚期恢复相，晨-昏两侧的时间差异源于磁暴期间高能离子西向漂移所需时间及等离子体层顶位置的地方时差异.磁暴期间，EMIC波以H+波和He+为主，其中H+波主要分布在06:00 MLT—10:00 MLT（磁地方时）扇区，He+波主要分布在18:00 MLT—22:00 MLT扇区.在磁暴主相期间没有出现H+带波，但是出现He+-O+双波段EMIC波，表明磁暴主相期间环电流高浓度氧离子对H+带EMIC波具有抑制作用.      

磁暴期电离层离子上行能通量的统计关系研究

利用FAST卫星1997-2006年34个磁暴期149个轨道的观测数据,分析不同相位上行通量数量级,研究不同相位离子上行能通量与地磁活动Sym-H指数和Kp指数,以及注入的Poynting通量之间的关系,构造上行通量经验模型.研究结果表明:磁暴主相期间,上行离子能通量可超过108 eV·cm–2·s–1·sr–1·eV...     

电离层电场对环电流变化响应的时延

本文讨论了强磁暴期间磁层环电流能量变化率与电离层电场变化之间的联系.STARE和SABRE雷达资料表明,电离层对环电流变化响应的主要特点是:(1)在磁地方时午后区,响应的时延达最大(约1—2小时),场强以指数形式增加;在其它时区内,无系统的增强过程,仅观测到较大的、有明显涨落的电场值.(2)STARE(70.2°N)和SABRE(65.8°N)测到的电场变化往往具有相反的趋势.(3)在STARE视场内,环电流能量变化达极大后,较低纬(70.2°N)上的电场值经常大于较高纬(71.8°N)上的值.分析结果表明,磁暴期间磁层-电离层耦合过程中,环电流起着重要作用.      

磁层氧离子向磁鞘泄漏的机制和效应

１９９７年 １月 １０日磁暴期间， Ｇｅｏｔａｉｌ卫星在向阳侧的磁鞘中观测到了磁层氧离子突增事件．这些氧离子的出现和磁鞘中存在很强的南向行星际磁场有关．事件期间向阳面发生了准静态的磁重联，氧离子流存在由北向南的速度分量．通量突增过程具有逆向和正向能量色散现象，磁层内部只有氧离子有可能被梯度漂移输送到重联区，所以只有氧离子在磁鞘中持续地被观测到．估计氧离子的逃逸速率为 ０．６１× １０２３／ｓ，大约为环电流氧离子输入率的 ３３％．大量的环电流氧离子由磁层跑到了磁鞘，导致环电流指数 ＡＳＹ－Ｈ呈现明显的非对称性．     

暴时密度增强区附近电离层不均匀体研究

基于IGS提供的TEC数据, 研究了2003年10月大磁暴期间的暴时密度增强(Storm Enhanced Density, SED)现象; 利用GPS观测数据, 计算出ROTI (Standard deviations of ROT)指数, 分析了SED边界附近电离层小尺度不均匀体结构的时间和空间演变. 研究表明, 在磁暴主相期间SED边界附近不均匀体随着磁暴的发展逐渐增多; 在主相的中后期不均匀体的分布密集度达到最大; 在恢复相期间, 不均匀体分布很少; 随着磁暴的发展, 不均匀体开始主要集中在40~45oN范围内, 随后向高纬漂移, 主要集中在45~55oN范围内.      

空间科学学报第27卷总目次2007年

第1期军超吴沈利用EMD方法提取太阳活动周期成分...........................……李强吴健用数值模拟的方法研究磁暴主相期间影响环电流分布特征的要素............……王馨悦TC一1和Cluster对向阳侧磁层顶通量传输事件的联合观测研究...................……..........................................……姚丽刘绍亮刘凯金曙平应用BP神经网络针对高通量质子事件的通量数值预报............................……基于GPS信号的电离层凡指数计算方法研究...................................……武汉上空中层顶区域潮汐的MF雷达观测..…     

代数重建法反演环电流分布的初步结果

TC-2卫星携带了高能中性原子成像仪.在理论上可以根据对中性原子的探测通过反演获得磁层中环电流的空间分布.开发了一种新的反演技术和算法来反演环电流的分布.文中将层析成像技术引入反演环电流区离子分布,把磁层空间环电流区域划分为网格并依据层析成像常用的代数重建法反演环电流的分布.反演前后的电流离子分布具有一致性,证实了这种反演方法的可行性.通过对比反演结果与初始分布,模型通过较少的假设和简单的步骤就可以获得全面的环电流信息.      

行星际南向磁场事件与强磁暴

利用１９７８－１９８８年期间的太阳风和地磁资料对行星际磁场（ＩＭＦ）南向分量Ｂｓ事件（即Ｂｓ〉１０ｎＴ及其所驱动的错向电场ＶＢｓ〉５ｍＶ／ｍ、持续时间△Ｔ〉３ｈ的事件）与弱磁暴（Ｄｓｔ≤－１００ｎＴ）关系进行了分析。结果表明,１００％的Ｂｓ事件能能引起磁暴的发生,但其中只有８４％为强磁暴;强磁暴的发生都与较强的ＩＭＦ Ｂｓ活动密切相关,但只有６８％的强磁共伴随Ｂｓ事件而发生;Ｂｓ事件与强磁暴并不是     

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．     

Acceleration of charged particles by fluctuating and steady electric fields in a X-type magnetic field

Release of stored magnetic energy via particle acceleration is a characteristic feature of astrophysical plasmas. Magnetic reconnection is one of the mechanisms for releasing energy from magnetized plasmas. Collisionless magnetic reconnection could provide both the energy release mechanism and the particle accelerator in space plasmas. Here we studied particle acceleration when fluctuating (in-time) electric fields are superposed on an static X-type magnetic field in collisionless hot solar plasma. This system is chosen to mimic the reconnective dissipation of a linear MHD disturbance. Our results are compared to particle acceleration from constant electric field superposed on an X-type magnetic field. The constant electric field configuration represents the effects of steady state magnetic reconnection. Time evolution of ion and electron distributions are obtained by numerically integrating particle trajectories. The frequencies of the electric field represent a turbulent range of waves. Depending on the frequency and amplitude of the electric field, electrons and ions are accelerated to different degrees and have energy distributions of bimodal form consisting of a lower energy part and a high energy tail. For frequencies (ω in dimensioless units) in the range 0.5 ? ω ? 1.0 a substantial fraction (20%–30%) of the proton distribution is accelerated to gamma-ray producing energies. For frequencies in the range 1 ? ω ? 100.0 the bulk of the electron distribution is accelerated to hard X-ray producing energies. The acceleration mechanism is important for solar flares and solar noise storms but it could be applicable to all collisionless astrophysical plasmas.     

中地球轨道高能电子辐射环境特性分析

采用中国中地球轨道卫星在太阳活动下降相到上升相的高能电子探测数据, 首次分析研究了该轨道高能电子环境的空间分布、通量强度、时序变化以及对地磁暴活动响应的特性. 结果表明, 中地球轨道高能电子的空间分布 范围稳定, 电子通量强度随能量升高而下降; 中地球轨道高能电子环境是 一个在不同时间尺度上剧烈变化的动态系统, 该系统可能间歇性地出现27天重 现性变化, 该系统变化受地磁暴事件调制, 但其对磁暴的响应呈现出非线性特征.      

Introduction to planetary electrodynamics: A view of electric fields,currents and related magnetic fields

The environment surrounding a planet is composed of plasma, ionized gases and a neutral atmosphere that are continuously under the influence of solar effects. The complex dynamical interactions among these media and the generated electric fields create complicated interrelated current systems in the magnetosphere, ionosphere and atmosphere of the planets. Electric fields, currents and the related magnetic disturbances constitute the planetary electrodynamics scenario that will be considered in this tutorial. Beside providing a comprehensive and integrated view of the planetary electrodynamics, this tutorial intends to introduce the necessary theoretical background to understand the physical processes involved and particularly, to discuss some topics in which the authors are currently focussing their interests: Sun–Earth electrodynamical coupling, numerical simulations, plasmaspheric electron content variability, atmospheric electrical discharges, and the effects of intense magnetic storms at the Earth’s surface and in the magnetic anomaly region. New results on these subjects are also presented. A deeper and broader comprehension of this complex scenario involving multidisciplinary investigations will certainly bring several implications in the observational, theoretical, computational and technological developments, with repercussions in biological and medical sciences.