行星际磁场与磁尾磁通量绳形成的关系

收集了Cluster卫星在2001-2005年间观测到的磁尾磁通量绳事件,并对磁通量绳(magnetic flux rope)形成及其内部磁场结构与行星际磁场(IMF)的关系作了统计研究.考虑磁通量绳被观测到时行星际磁场的条件,在所有73个磁通量绳事件中,行星际磁场By分量占有主导地位的事件有80%,且78%的事件具有与行星际磁场By分量相同方向的核心场.行星际磁场通过在磁层顶与地球磁场相互作用改变南北等离子体片内磁场相对方向,形成有利于磁通量绳形成的磁场位形,并且行星际磁场By分量的方向对磁通量绳内部核心场的方向具有决定性影响.从统计结果来看,磁通量绳的形成并不会依赖于行星际磁场Bz分量的方向.     

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．     

太阳风电子在月表电磁场中的运动

月表磁异常区的分布是月球探测工程的重要内容. 但是由于月表电磁环境错综复 杂, 通常认为月球表面在特殊的空间天气条件下会带有数千伏电压. 以往的空间研究已经证实, 表面的带电与放电容易造成卫星仪器的异常或失联. 月表电场对电子 反射法有重要影响, 研究分析不同电磁条件下太阳风电子的运动轨迹,对月表环境 (电磁环境, 太阳风条件, 等离子体参数等)的研究可以更加深入细致. 通过模拟向月表运动的太阳风电子的运动轨迹, 分析了月表电磁环境的改变对太阳风电子反射 的影响, 并着重研究了月表电场对电子反射法遥感探测月表磁异常的影响, 为探测 月表电磁环境提供了重要的信息.      

异常SSC事件的行星际原因分析

磁暴急始(SSC)是强烈太阳风动压或行星际激波与磁层相互作用的结果.通常SSC事件的上升时间在4～10 min,我们把上升时间超过15 min的SSC事件称为异常SSC事件.本文利用地磁SYM-H指数鉴别出了5个有地磁观测历史以来发生的上升时间大于15 min的异常SSC事件,并利用Wind,ACE,IMP 8,Goes,Geotail多点卫星太阳风观测数据和地磁观测数据,分析了异常SSC事件的行星际原因.结果表明,异常SSC事件通常都是强烈行星际扰动引起的,5个异常SSC事件有4个对应于行星际激波,有3个对应于多步太阳风动压跃变,有1个对应于行星际电场大幅度变化;由行星际激波产生的异常SSC事件,其上升时间依赖于行星际激波的方向,方向相对于日地连线越偏,上升时间越长;异常SSC事件上升时间与行星际磁场方向关系不明显.      

地球磁鞘中磁场起伏特性的分布

本文利用行星际起伏通过激波后的变化的MHD模型, 具体讨论了地球磁鞘中磁场起伏特性在黄道面内的分布.主要结果是:(1)行星际磁场起伏的强度和各向异性在磁鞘中被显著放大;(2)行星际磁场基本位于黄道面内时, 磁鞘中磁场起伏特性(强度、相对起伏和各向异性等)呈现明显的晨一昏不对称性, 早晨侧(准平行激波)显著地高于黄昏侧(准垂直激波);(3)行星际磁场方向对磁场起伏特性在磁鞘中的分布有强烈的控制作用, 早晨侧响应灵敏, 黄昏侧反响不大.相对地讲, 黄昏侧的磁活动较之早晨侧稳定;(4)行星际磁场转南的增强将导致磁鞘中磁场起伏的最大区域自黄道面低纬向北极高纬移动, 南-北不对称性磁活动随之加强, 最强大致出现在磁场与黄道面相交成大约45°时, 而晨-昏不对称性的强弱程度则发生相反变化;(5)行星际磁场的相对起伏增加, 晨-昏不对称性反随之减弱.磁鞘中磁场起伏分布的特性与卫星观测大体符合, 是磁顶、边界层某些晨-管不对称性出现的可能起因之一.      

月球尾迹的二维MHD模拟

采用理想的二维单流体MHD方程,对太阳风通过月球时所形成的尾迹结构进行数值模拟,得到了太阳风尾迹的粒子分布及磁场分布.模拟结果表明,在月球背阳面的本影区,太阳风粒子密度急剧下降,行星际磁场增强.当行星际磁场与太阳风流动方向平行时,尾迹被拖得很长,而磁场与太阳风流动方向垂直时,尾迹较短.      

1998年10月18——-19日磁暴主相的行星际源分析

采用高时间分辨率的地磁指数SYM-H, 同时考虑日地连线引力平衡点(L1点)太阳风地磁效应的滞后性, 精确分析了1998年10月18---19日大磁暴主相的行星际源. 分析结果表明, 磁暴主相的行星际源仅为行星际激波和行星际日冕物质抛射之间的太阳风(Sheath), 磁云对磁暴主相没有贡献. 这个磁暴事例的研究表明, 行星际磁场南向分量与太阳风动压的乘积是影响磁暴主相发展的关键参数.      

地球弓激波的三维模拟

利用磁流体动力学(MHD)全球模拟结果,根据弓激波的跃变特性确定出弓激波位置,建立了一个新的综合考虑了快磁声马赫数、太阳风动压、行星际磁场强度以及磁层顶曲率半径的弓激波三维位型模型.将新模型与以往模型的模拟结果进行比较发现,新的弓激波全球模型结果可靠,解决了部分现有模型不能描述弓激波三维位型的问题.研究结果表明,在行星际磁场北向时,随着快磁声马赫数的增大,弓激波日下点距离减小,但是在行星际磁场南向时,快磁声马赫数的变化对弓激波日下点距离影响不大;弓激波位型在赤道面与子午面上存在明显的不对称性,而且随着行星际磁场的转向,这种非对称性也会发生相应改变;行星际磁场南向,B_z值较小时,子午面内弓激波位型已经不是简单的抛物线,出现了明显的类似于极尖区磁层顶的凹陷变化区.      

磁云边界层中的复合重联喷流观测分析

太阳风中的磁场重联通常与行星际日冕物质抛射有关.本文分析了1995年10月18日WIND飞船观测到的一例磁云前边界层中的复合重联喷流事件.该复合排空区由相邻两个不同方向的喷流构成，这两个喷流分别经过Walén关系的证认，符合行星际磁场重联排空区等离子体喷流的特征.结果表明，在磁云前端可能存在众多重联点，从而将磁云本体的磁场剥离，形成比单一重联喷流区更复杂的三维边界层结构.磁云边界层中可能发生多点多次重联，从而不表现出单点重联的排空区特征，这可能是行星际磁场重联排空区较少在ICME前端被观测到的原因之一.      

多种观测数据驱动的三维行星际太阳风MHD模拟

三维磁流体力学（MHD）数值模拟是行星际太阳风研究的重要手段.本文发展了一种由多种观测数据驱动的三维行星际太阳风MHD数值模型.模型的计算区域为0.1AU到1AU附近，使用Lax-Friedrich差分格式在六片网格系统中进行数值求解.边界条件中磁场使用GONG台站观测的光球磁图外推获得，密度通过LASCO观测的白光偏振亮度反演得到，速度根据以上两种观测数据并利用一种基于人工神经网络技术（ANN）的方法得到，温度通过自洽方法根据磁场和密度导出.利用该模型模拟了第2062卡灵顿周（CR2062）时期的行星际太阳风，模拟结果显示出丰富的观测特征，并与OMNI以及Ulysses的实际观测值符合得较好.该模型可用于提供接近真实的行星际太阳风，有助于提高空间天气预报的精度.      

Solar wind interaction with lunar crustal magnetic anomalies

Using Lunar Prospector data, we review the magnetic field and electron signatures of solar wind interaction with lunar crustal magnetic sources. Magnetic field amplifications, too large to represent direct measurements of crustal fields, appear in the solar wind over strong crustal sources, with the chance of observing these amplifications depending on upstream solar wind parameters. We often observe increases in low-energy (?100 eV) electron energy fluxes simultaneously with large magnetic field amplifications, consistent with an increase in plasma density across a shock surface. We also often observe low frequency wave activity in the magnetic field data (both broadband turbulence and monochromatic waves), often associated with electron energization, sometimes up to keV energies. Electron energization appears to be correlated more closely with wave activity than with magnetic amplifications. Detailed studies of the interaction region will be necessary in order to understand the physics of the Moon–solar wind interaction. At present, the Moon represents the only natural laboratory available to us to study solar wind interaction with small-scale crustal magnetic fields, though simulation results and theoretical work can also help us understand the physical processes at work.     

火星空间磁场结构特征

在火星空间模拟的单流体MHD模型的基础上, 研究了火星空间磁场结构及火星表面局部磁异常对磁场结构的影响. 在太阳风与火星相互作用的过程中, 形成弓激波和磁堆积区, 行星际磁场弯曲并向两极移动且被拖拽变形, 大部分磁力线从火星两极绕过, 通过火星之后在磁尾留下V字形结构. 火星表面附近局部磁异常也对火星磁场结构产生不可忽视的影响. 不同位置和强度的磁异常与太阳风相互作用形成结构及形态各异的微磁层, 如被拖拽的微磁层和存在开磁力线的微磁层等. 局部磁异常改变了近火磁场结构, 并可能改变等离子体的分布.      

嫦娥四号能量中性原子观测揭示太阳风与月面相互作用新特征

与地球不同,月球暴露在太阳风中.太阳风注入到月面,与月壤相互作用,部分太阳风质子以能量中性原子(Energetic Neutral Atom,ENA)的形式被月表散射.另外,月球局部地区的磁异常能阻挡太阳风到达月面,并形成微磁层,成为月面天然的保护屏障.然而以往相关的观测数据都来自轨道器,月面的真实情况无从知晓.嫦娥四...     

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.      

MGS magnetic fields and electron reflectometer investigation: Discovery of paleomagnetic fields due to crustal remanence

The MGS MAG/ER investigation provides vector measurements of the magnetic field and the ionospheric electron density near periapsis. The instrumentation consists of twin triaxial fluxgate magnetometers and a “top hat” electrostatic analyzer of electrons in the energy range of 1 eV to 20 keV. Results include extensive mapping of the detached bow shock wave in the solar wind, the nature and structure of the ionopause and magnetic pile-up boundaries. The most surprising result is the discovery of localized magnetic fields of planetary origin, presumably due to remanent crustal magnetization. Maximum fields measured while below the ionosphere exceed 300 nT. We present an initial study of one of these very localized fields and extrapolations to the Martian surface in the Acidalia planitia.     

An overview of radar soundings of the martian ionosphere from the Mars Express spacecraft

The Mars Express spacecraft carries a low-frequency radar called MARSIS (Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosphere Sounding) that is designed to study the subsurface and ionosphere of Mars. In this paper, we give an overview of the ionospheric sounding results after approximately one year of operation in orbit around Mars. Several types of ionospheric echoes are commonly observed. These include vertical echoes caused by specular reflection from the horizontally stratified ionosphere; echoes from a second layer in the topside ionosphere, possibly associated with O⁺ ions; oblique echoes from upward bulges in the ionosphere; and a variety of other echoes that are poorly understood. The vertical echoes provide electron density profiles that are in reasonable agreement with the Chapman photo-equilibrium model of planetary ionospheres. On the dayside of Mars the maximum electron density is approximately 2 × 10⁵ cm⁻³. On the nightside the echoes are often very diffuse and highly irregular, with maximum electron densities less than 10⁴ cm⁻³. Surface reflections are sometimes observed in the same frequency range as the diffuse echoes, suggesting that small isolated holes exist in the nightside ionosphere, possibly similar to those that occur on the nightside of Venus. The oblique echoes arise from upward bulges in the ionosphere in regions where the crustal magnetic field of Mars is strong and nearly vertical. The bulges tend to be elongated in the horizontal direction and located in regions between oppositely directed arch-like structures in the crustal magnetic field. The nearly vertical magnetic field lines in the region between the arches are thought to connect into the solar wind, thereby allowing solar wind electrons to heat the lower levels of the ionosphere, with an attendant increase in the scale height and electron density.     

太阳风中磁场重联离子扩散区的大尺度特征

利用ACE和WIND卫星2007年1月6日的联合探测, 在1AU附近发现了一个等离子体密度极低的Petschek-like重联喷流区. 该喷流区内部出现了非常明显的Hall双极磁场、等离子体密度下降区以及与Hall电流相符的低能段电子投掷角分布. 这些特征与重联离子扩散区的Hall效应非常吻合, 说明很可能在太阳风中观测到了一个离子扩散区. 分析表明, 与之相关的磁场重联为准稳态快速完全反向重联, 其扩散区以一对慢模波为边界, 空间尺度达到80个离子惯性长度, 表现出了大尺度重联的特征.      

磁层顶旋转间断的稳定性

本文应用三层模式和ISEE卫星观测资料,讨论了磁层顶旋转间断的稳定性。结果表明:(1)在磁层顶旋转间断中可以激发一种不稳定性。随着波数k增大,不稳定性增长率也将增加。(2)当行星际磁场为北向时,磁层顶旋转间断是稳定的;当行星际磁场逐渐变为南向时,不稳定性增长率将迅速增加。(3)当太阳风速度较大时,不稳定性增长率相应地也较大。(4)当行星际磁场为南向时,随着行星际磁场与磁层顶切平面交角的增大,不稳定性的增长率也迅速增加。