第24太阳活动周地球附近磁云与非磁云事件的统计分析

为研究第24太阳活动周中磁云（Magnetic Clouds,MC）与非磁云（Non-Magnetic Clouds,non-MC）的等离子体性质及其对空间天气的影响,使用1AU处的观测数据对2008-2015年168个ICME事件进行统计与分析,其中认证出磁云事件68个,占总数的40.48%.通过分析磁云与非磁云等离子体参数对空间天气环境的影响及与太阳活动的关系,整体性质的对比及在第23和24太阳活动周中性质的对比,可以发现:在第24太阳周中,磁云引起的磁暴强度普遍大于非磁云,南北向磁场分量是引起磁暴的重要参数;磁云数和太阳黑子数有很好的相关性,非磁云数与行星际日冕物质抛射总数及黑子数的相关性稍弱,磁云数在太阳周的不同阶段表现出不同的分布特性;磁云的磁场强度和南向磁场分量整体强于非磁云,两者质子温度、密度等参数差异不大.第24周磁云事件引起的地磁效应整体上弱于第23周磁云事件,这与第24周磁云事件最大南向磁场分量、传播速度以及质子温度整体小于第23周磁云事件有关.      

行星际强磁场结构中的亚阿尔文波速流

1982年11月23日开始的极高速太阳风流追赶强磁场结构的事件,形成了高密度前鞘-强磁场本体-高密度后鞘-高速流的组合结构。本文分析了此组合结构的磁流体动力学特征,发现在强磁场本体内出现行星际亚阿尔文波速流,并推论了其可能的成因。      

磁云边界层中的重联慢激波观测分析

在Petschek模型中，排空区边界处的一对慢激波是能量耗散的重要机制.已有大量行星际空间的Petschek型磁场重联排空区观测事件被报道，但是只有少量的排空区边界处观测到了慢激波.针对一例位于磁云边界层中的Petschek型磁场重联排空区观测事件，在排空区靠近磁云一侧边界处证认了一例慢激波.激波跃变层两侧的磁场和等离子体参数满足Rankine-Hugoniot关系，且激波上下游的中间马赫数均小于1，上游的慢马赫数为2.94（>1），下游的慢马赫数为0.65（<1），符合慢激波的观测特征.磁云内部的等离子体β值很低，局地阿尔芬速度高，同时磁云边界层中可能发生丰富的磁场重联活动，这可能是磁云前边界处慢激波形成的原因.      

强磁云与共转高速流的相互作用两例

本文利用行星际观测数据,分析了1978年8、9月间同一起源的共转高速流两次与磁云发生的相互作用.8月27日,强磁云为共转高速流所追赶,磁云前半部为磁云本体,具有强磁云的基本特征,但后半部则为高速流追赶磁云的相互作用区,流速图象具有明显的双台阶特征.9月25日另一异常强磁云追赶再次重现的共转高速流,磁云前部为相互作用区,后部为磁云本体,但结构特征较简单磁云复杂;磁云前部流速峰值超过900km/s,而在磁云本体.Alfvén波速峰值在600km/s以上,非常接近局部太阳风速.此两事例进一步说明了Alfvén波速增强对磁云加速的重要作用.此外,还就磁云引起的磁暴和宇宙线下降的特性进行了讨论.     

磁云边界层与间断的观测研究

利用WIND飞船的磁场和等离子体观测数据,分析了1995年2月至2003年8月之间82个磁云中的边界层事件.我们认为(1)磁云边界层中方向间断DD(Directional Discontinuity)类型中RD(Rotational Discontinuity),TD(Tangential Discontinuity),ED(Either Discontinuity),ND(NeitherDiscontinuity)的分布为37:18:44:1(%),与背景太阳风中的分布51:12:35:2(%)不同;主要区别在于RD与TD的比例变化. (2)磁云边界层的内外边界切向间断的比例很高,占总数的20%,而且两侧的密度和温度平均相对变化分别为|△N/N|=0.24和|△T/T|=0.19,大于边界层内部的平均值,显示了更多的切向间断特征;此外,磁云边界层中方向间断的出现频次约为太阳风中的1.87倍. (3)磁云边界层中方向间断的法向分布在θ-φ平面中不是随机分布,而是以θ=-24.90°,φ=217.49°为几何中心,主要是指向远离太阳的方向,而不是简单的各向同性分布.初步结果表明,间断是磁云边界层中的重要结构,它有着不同于背景太阳风间断类型比,为诊断磁云边界层的形成机理提供了依据.      

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.      

太阳风中小尺度磁通量管边界重联的统计研究

通过对WIND卫星1995—2005年的数据,利用程序筛选及人工识别两种不同方法确定的小尺度磁通量管进行比较,发现程序筛选法中41%的小尺度磁通量管有边界重联现象,与人工识别法确定的小尺度磁通量管的统计结果接近;通过人工识别和程序筛选两种方法确定的小尺度磁通量管的边界重联特征,包括磁场剪切角、磁场强度以及重联耗散区的持续时间等,也具有相同的统计趋势.结果表明,两种方法确定的小尺度磁通量管在重联特性上没有本质区别,因此采用这两种方法得到的数据作为样本来统计小尺度磁通量管前后边界重联事件.本文共确定了71个重联事件,统计结果显示有50个(70%)重联耗散区磁场的减小超过20%,47个(66%)磁场剪切角大于90°;多数重联事件的磁场剪切角大于90°,表明小尺度磁通量管边界中主要发生的是反平行重联.将小尺度磁通量管的前后边界重联分开进行统计,结果显示其前后边界重联的特征是相似的,与磁云前后边界存在差异的性质不同,这意味着太阳风中的小尺度磁通量管并不具有磁云这种大尺度磁通量管的膨胀特征.     

太阳风速度及日球电流片对CME渡越时间的影响

基于1996-2005年88个引起重大地磁暴的CME(日冕物质抛射)事件、1996-2000年的47个CME事件以及1997-2002年的29个全晕状CME事件,结合ACE卫星在1AU处的太阳风和行星际磁场观测资料以及Wilcox Solar Observatory(WSO)天文台的太阳光球层磁图,分析了背景太阳风速度和日球电流片对CME到达1AU处渡越时间预报误差的影响.结果表明,背景太阳风速度与CME渡越时间误差并没有明显的相关性,在考虑了磁云通量管轴相对黄道面夹角的影响后相关性依然不明显.然而日球电流片对CME渡越时间却有明显的影响,对于初速度较小的异侧CME事件,其渡越时间大于同侧事件;而对于具有较大初速度的CME事件,异侧事件的渡越时间明显小于同侧事件.研究结果表明,CME与太阳风以及日球电流片的相互作用并不是简单的对流相互作用,造成高速CME异侧事件快于同侧事件到达地球的因素非常复杂,有待深入研究.      

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.      

太阳表面水平运动驱动的磁圈与开放磁场重联的模拟研究

太阳大气的诸多观测事件(如耀斑、喷流等)均被归因于磁重联产生的能量转换. 近年来, 关于太阳风起源, 有研究提出了磁重联使闭合磁圈开放为太阳风供应物质的新模式. 在该模式中, 闭合磁圈被光球超米粒组织对流携带, 向超米粒边界运动, 与位于边界的开放磁场相碰撞进而发生磁重联. 该模式中磁重联的驱动及其效应是本文的研究目标. 磁流体力学(MHD)数值模拟是研究太阳大气磁重联物理过程的重要途径. 本文建立了一个二维MHD数值模型, 结合太阳大气温度和密度的分层分布, 在超米粒组织尺度上模拟了水平流动驱动的闭合磁圈与开放磁场的重联过程. 通过对模拟结果的定量分析, 认为磁重联确实能够将闭合磁圈的物质释放, 进而供应给新的开放磁结构并产生向上流动. 该结果为进一步模拟研究太阳风初始外流奠定了基础.      

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。      

磁云—高速流相互作用的数值模拟

对１９７８年８月２７至２８日期间观测到的磁云与尾随高速流的相互作用进行数值模拟，基本拟合了１ＡＵ处的观测剖面。模拟结果表明，磁云－高速流系统将导致前向快，慢激波和后向快激波的形成。     

太阳风速度的源表面二维结构

以IPS观测数据为基础，在考虑了加速剖面对太阳风源位置和速度大小的影响下，探讨了1984年1745-1755Carrington周太阳风速度在源表面上的二维分布.结果显示：观测和理论结果均显示出此期间北半球太阳风速度明显高于南半球，特别是经度0一30°，300-360°N的高速流均有不同程度的从极区向南侵的现象.低速带与磁中性线有一定程度的类似即均为单峰结构.但理论和观测给出的低速带的峰值位置与磁中性线的峰值位置略有差异，而且磁中性线的报幅大于观测和理论的结果.     

On the formation of auroral arcs

A new mechanism for auroral arc formation is presented. The characteristic linear shape of auroral arcs is determined by magnetically connected plasma clouds in the distant equatorial magnetosphere. These clouds originate as high speed plasma beams in the magnetotail and in the solar wind. It is found that the free energy for driving an auroral arc can be provided by the difference of pressure between the cloud and the ambient plasma.     

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.      

利用多卫星观测CIR事件演变的统计分析

根据2007-2009年STEREO-BEHIND (STB)和ACE卫星的行星际磁场和太阳风数据, 基于冕洞高速流从太阳向外匀速径向传输假设, 讨论了随着STB和ACE卫星与太阳之间的夹角从0°增大至70°时, 冕洞发出的高速太阳风形成的相互作用区(CIR)依次扫过STB和ACE卫星的时间差特性, 并统计分析了两颗卫星观测到的CIR参数的变化特征. 结果显示, 可以利用STB对CIR事件的观测来预测这个CIR事件到达ACE的理论时间, 时间误差均值和最大值分别为0.217d和0.952d, 时间误差的产生与STB和ACE卫星观测到的CIR速度大小的不同有关, 用速度差异矫正后, 时间误差的平均值和最大值可分别减小为0.194d 和0.489d; STB和ACE卫星观测的CIR事件太阳风速度最大值的线性相关系数达到了0.84, STB和ACE卫星观测到的CIR事件对特征物理量中速度、质子温度的变化最小, 而质子密度及总压力的变化最大. 分析结果表明, STB和ACE卫星观测到的CIR事件有很强的相似性, STB卫星的CIR观测可以作为ACE卫星观测CIR事件特征的参考, 从而为地球空间环境扰动预报提供依据.      

Unusually strong magnetic fields in Titan’s ionosphere: T42 case study

Observations of unusually large magnetic fields in the ionosphere indicate periods of maximum stress on Titan’s ionosphere and potentially of the strongest loss rates of ionospheric plasma. During Titan flyby T42, the observed magnetic field attained a maximum value of 37 nT between an altitude of 1200 and 1600 km, about 20 nT stronger than on any other Titan pass and close to five times greater in magnetic pressure. The strong fields occurred near the corotation-flow terminator rather than at the sub-flow point, suggesting that the flow which magnetized the ionosphere was from a direction far from corotation and possibly towards Saturn. Extrapolation of solar wind plasma conditions from Earth to Saturn using the University of Michigan MHD code predicts an enhanced solar wind dynamic pressure at Saturn close to this time. Cassini’s earlier exits from Saturn’s magnetosphere support this prediction because the Cassini Plasma Spectrometer instrument saw a magnetopause crossing three hours before the strong field observation. Thus it appears that Titan’s ionosphere was magnetized when the enhanced solar wind dynamic pressure compressed the Saturnian magnetosphere, and perhaps the magnetosheath magnetic field, against Titan. The solar wind pressure then decreased, leaving a strong fossil field in the ionosphere. When observed, this strong magnetic flux tube had begun to twist, further enhancing its strength.     

The accuracy of present models of the high altitude polar magnetosphere

The Polar satellite has explored the high-latitude, high-latitude magnetosphere out to 9 Earth radii (Re). The magnetic field data returned from this mission can be used both to provide data for new empirical models and to test existing models. Tests include comparing the observed location of the polar cusp with its position in the empirical models and comparing the strength of the magnetic field in the surrounding region. Near the cusp the magnetosphere is quite sensitive to solar wind conditions. In particular the energy density of the cusp plasma depends on the pressure of the solar wind applied to the interface of the cusp and the sheath. The applied pressure in turn depends on the shape of the magnetopause and the orientation of that interface, both controlled by the direction of the interplanetary magnetic field. Magnetohydrodynamic (MHD) models provide a coarse picture of the magnetosphere at high latitudes. While generally quite realistic, these too require testing against observations because even the MHD models must make some simplifying assumptions.     

球坐标系六片网格下三维定态行星际太阳风模拟

采用二阶MacCormack差分格式, 利用稳态的磁流体(MHD)方程组在球坐标系六片网格下模拟研究了行星际太阳风. 六片网格系统能有效避免极区奇性和网格收敛性. 迭代按径向方向推进求解, 很大程度上减少了计算量, 节约了计算时间. 内边界条件根据太阳与行星际观测确定, 比较测试了5种内边界条件, 模拟给出了1922卡林顿周的背景太阳风结构. 几种内边界条件所得模拟结果与行星际观测基本吻合. 太阳风速度采用McGregor 等的经验公式给出, 磁场由水平电流片(HCCS)模型得到, 密度和温度分别根据动量守恒和气压守恒得到, 研究表明采用这样的边界条件模拟结果最佳.