磁层顶通量传输事件轴向统计分析

磁层顶通量传输事件（Flux Transfer Event,FTE）与磁重联相关,其典型特征为磁场法向分量的双极变化.在不同FTE模型里,FTE结构可能为重联的通量管、由多X线重联形成的闭合磁通量绳或者由单X线重联形成的开放磁场环,从而在磁层顶有不同的整体位形.使用一种新的轴向分析方法,对Cluster在一个向阳面磁层顶穿越季观测到的505个FTE进行统计研究.结果表明:在磁层顶中低纬度的侧翼,大多数FTE轴向均为沿磁层磁力线方向即南北方向,少数FTE轴向沿着不同于磁层磁力线方向的东西方向;在高纬磁层顶,大多数FTE轴向沿东西方向,少数FTE轴向沿着磁层磁力线方向即南北方向.这些统计特征有助于重新认识FTE的全球形态.      

磁层顶极尖区的理论探讨

本文解出了三维磁层顶的Chapman-Ferraro模型。证明极尖区有一条极尖线,长约40°。磁尖线上磁层顶呈尖角。磁层磁力线由极尖线上各点通往磁层顶。通常所谓中性点,足极尖线在日地子午面的截点。      

基于能量色散特征计算磁层顶重联位置的方法研究

磁层顶磁场重联是太阳风向磁层输入能量的主要方式.重联如何触发一直是空间物理研究的难点,其机制仍然有待深入研究.由于卫星穿越磁层顶时,很难恰好穿越重联发生的区域,因此难以观测到重联的触发条件.本文利用THEMIS卫星观测,确立了反演磁层顶重联点的方法.当重联刚开始发生时,卫星能够观测到离子的能量色散特征,可利用其计算卫星到重联发生位置的距离.沿着磁力线模型追踪该距离即可反演出磁层顶发生重联的位置.与其他方法进行了对比分析,结果显示本文方法比其他方法具有更高的精度.      

能量粒子进入磁层的数值模拟研究

来自行星际的能量粒子进入磁层的过程一直是磁层研究的热点,也是空间天气研究关注的焦点之一,而以往的工作大都集中在讨论不同行星际条件下粒子进入磁层的统计规律.本文在T89磁层模式的基础上,建立了太阳能量粒子进入磁层运动的程序,计算了几种不同能量的质子从不同方位角入射到磁层的运动轨迹.模拟结果表明,能量粒子沿着磁力线方向才可能穿越磁层到达地球表面,越偏离这个方向,则越早被反弹.能量越高的粒子进入到地球磁层上空的角度范围越大,但仍然只有沿着磁力线入射的粒子才能到达地球表面.这些结果与理论预言是一致的.      

关于磁层中磁力线几何结构的研究

磁层磁场的几何结构是空间物理中的重要研究内容.本文采用曲率半径分析方法,结合Cluster立体探测的相关知识和背景,利用Cluster立体探测的优势,通过对Cluster 2001年的立体探测数据的研究,分析了磁层各区域的磁力线结构,包括背阳面、Cusp区以及昏侧,得出各区域中磁力线的曲率半径大小,曲率矢量以及磁力线密切面的法线矢量的方向.利用这些参量直接确定出该区域中磁力线的空间几何构型,进而揭示了该区域磁场的三维立体结构.所得结果也验证了曲率半径分析方法的正确性.在科学探测数据完备的情况下,将这一研究方法应用到磁层中其他所有区域,可以得到整个磁层的详细三维结构模型,这具有重要的科学意义.      

行星际磁场北向时磁层顶区磁场重联的全球模式

在对背阳面磁层顶区局域磁场重联模拟的基础上提出了一个行星际磁场北向时磁层顶磁场重联的全球模式。行星际磁场北向时碰层顶磁场重联导致近地尾瓣的能量被输送到远磁尾,太阳风能量不在磁尾储存,向阳面磁层顶变厚,磁层受到一系列扰动。      

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。      

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。      

磁层顶穿越事件自动识别算法

磁层顶是太阳风与磁层进行质量、动量、能量交换的关键区域.磁层顶穿越事件（MCEs）可通过对卫星探测到的粒子能谱和磁场数据图进行人工分析的方式来识别.因太阳风动压和行星际磁场的易变性,位于磁层顶附近的卫星经过长期观测可能会经历成千上万次的磁层顶穿越.人工分析的方法工作量巨大,而且识别速度慢.本文发展了一种新的日下点附近MCEs自动识别算法.此算法综合分析卫星探测到的粒子和磁场数据,能有效地减少误判的发生.为了验证算法的有效性,采用单CPU计算机对THEMIS卫星在2007—2018年靠近日下点附近观测到的数据进行MCEs自动识别,最终在约6h共识别出16758个MCEs.这些自动识别出来的MCEs样本可用于统计研究磁层顶相关的诸多物理问题,如凹陷磁层顶、太阳风与磁层相互作用,磁层顶磁场重联等.同时还分析了算法的精确性和局限性.      

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.      

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．     

Effect of the Interplanetary Electric Field on the Magnetopause From Global MHD Simulations

The north-south component B_z of the Interplanetary Magnetic Field (IMF) and solar wind dynamic pressure P_d are generally treated as the two main factors in the solar wind that determine the geometry of the magnetosphere. By using the 3D global MHD simulations, we investigate the effect of the Interplanetary Electric Field (IEF) on the size and shape of magnetopause quantitatively. Our numerical experiments confirm that the geometry of the magnetopause are mainly determined by P_dB_z, as expected. However, the dawn-dusk IEFs have great impact on the magnetopause erosion because of the magnetic reconnection, thus affecting the size and shape of the magnetopause. Higher solar wind speed with the same B_z will lead to bigger dawn-dusk IEFs, which means the higher reconnection rate, and then results in more magnetic flux removal from the dayside. Consequently, the dayside magnetopause moves inward and flank magnetopause moves outward.      

磁层顶剪切磁流体非线性性态的谱截断法研究Ⅰ.流场扰动对磁场的作用

本文用谱截断方法研究了磁层顶剪切磁流体的非线性性态。结果表明:流场扰动会使系统出现剪切不稳定(K-H不稳定)性;系统具有对初值的敏感性,这是导致湍动而使磁层顶动力学性态难以预测的根本原因;流场粘性及流场与磁场的相互作用使能量与动量在流场与磁场中转化和传输;外界能流通过粘性与耦合作用可周而复始地在系统中传递。      

The magnetopause erosion and the magnetosheath magnetic field penetration into the dayside magnetosphere

The earthward displacement of the magnetopause observed during a southward IMF (or the magnetopause erosion) and its dependence on the solar wind plasma and magnetic field parameters is studied by investigating data of about 30 magnetopause crossings by the ISEE 1 and 2 spacecraft. It is shown that the magnetopause erosion may be explained by a depression of the magnetic field intensity in the dayside magnetosphere caused by the penetration of the magnetosheath magnetic field (component perpendicular to the reconnection line) into the magnetosphere. The penetration coefficient (the ratio of the intensity of the penetrated field to the intensity of the magnetosheath magnetic field) is estimated and found to equal approximately 1.     

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．     

向阳面磁顶区可压缩涡旋诱发重联模拟研究:通量传输事件的形成和结构

本文用二维可压缩MHD模型,模拟研究了向阳面磁顶区的涡旋诱发重联过程。重联过程的结果形成了同心的磁流体涡旋。同时还对可压缩模型与不可压缩模型的异同点作了对比研究。结果表明,在同样条件下,可压缩情况的涡旋发展的增长率比不可压缩情况慢;结构特性无显著变化。本文指出,涡旋诱发重联是产生通量传输事件的一种重要机制。通量传输管可看作为磁流体涡旋管。对通量传输事件诸物理量(磁场、速度、密度、压力和温度)的分布特性作了模拟研究,可解释FTEs的主要观测特性。      

高纬磁层顶尾部边界层的离子流剪切不稳定性

研究了高纬磁层顶层部边界层在非均匀磁场条件下的离子流剪切不稳定性，由于考虑了尾向电流，我们发现离子流剪切不稳定性的激发与扰动波长有关，并得到了激发该不稳定性的准临界波长的表达式，对于磁层顶存在的波长为地球半径量级的表面波扰动，离子流剪切不稳定性倾向于发生在磁层顶边界层的内边界，沿磁层顶外边界传播的稳定的表面波和其内边界的离子流剪切不稳定性同时存在，这将有助于解释磁鞘太阳与动量持续不断地向地磁层的传输。     

磁尾的平衡结构

考虑到等离子体片和等离子体幔的存在,我们从Vlasov方程出发得出一个自洽的二维磁尾平衡模式。在这个模式中,假设等离子体处于平衡状态,压强是各向同性的,还假设沿磁尾方向各种参数的变化率较垂直于等离子体片方向的变化率要小得多。晨昏方向的变化则完全忽略不计。这个模式体现出磁尾的一些主要结构要素:(ⅰ)高温等离子体组成的等离子片;(ⅱ)等离子体片中的闭合磁力线;(ⅲ)等离子体极其稀薄的磁尾瓣;(ⅳ)等离子体幔;(ⅴ)磁层顶;(ⅵ)张开的磁尾。讨论了等离子体幔的存在对磁尾平衡结构的影响,结论是等离子体幔的存在使磁尾的形状更趋于尾形,于是,至少部分克服了Birn模式的困难。      

Spatial distribution of the magnetosheath ion flux

The magnetosheath plays a crucial role in solar wind-magnetosphere interaction because it is the magnetosheath magnetic field and plasma that interact with the magnetopause and magnetosphere, not the unshocked solar wind. We are presenting ion flux measurement statistics at both the dawn and dusk flanks of the magnetosheath and their comparison with a gasdynamic magnetosheath model. The study is based on three years of INTERBALL-1 measurements supported by simultaneous WIND solar wind and magnetic field observations. Statistical processing has shown (1) the limitations of the gasdynamic model, (2) the conditions favorable for the creation of a plasma depletion layer adjacent to the flank magnetopause, (3) strong dawn-dusk asymmetry of the ion fluxes, and (4) an evidence for the presence of a slow mode front adjacent to the magnetopause.