偶极倾角对弓激波日下点距离和尾部张角的影响

通过对IMP 8,Geotail,Magion 4和Cluster 1四颗卫星弓激波穿越数据的统计及拟合分析,定量研究了偶极倾角对弓激波日下点距离和尾部张角的影响.结果表明:弓激波日下点距离随偶极倾角绝对值的增大而增大,且偶极倾角为负值时比其为正值时日下点距离增大的幅度更大;弓激波尾部张角随偶极倾角绝对值增大而减小;当偶极倾角由负变为正的时候,弓激波向地球一侧移动,同时尾部张角增大.研究结果为进一步建立包含偶极倾角效应的弓激波模型奠定了基础.      

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.      

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.      

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.      

基于深度学习递归神经网络的电离层总电子含量经验预报模型

利用行星际太阳风参数与太阳活动指数、地磁活动指数、电离层总电子含量格点化地图数据,首次基于一种能处理时间序列的深度学习递归神经网络（Recurrent Neural Network,RNN）,建立提前24h的单站电离层TEC预报模型.对北京站（40°N,115°E）的预测结果显示,RNN对扰动电离层的预测误差低于反向传播神经网络（Back Propagation Neural Network,BPNN）0.49～1.46TECU,将太阳风参数加入预报因子模型后对电离层正暴预测准确率的提升可达16.8%.RNN对2001和2015年31个强电离层暴预报的均方根误差比BPNN低0.2TECU,将太阳风参数加入RNN模型可使31个事件的平均预报误差降低0.36～0.47TECU.研究结果表明深度递归神经网络比BPNN更适用于电离层TEC的短期预报,且在预报因子中加入太阳风数据对电离层正暴的预报效果有明显改善.      

行星际激波传播至1AU的渡越时间预测

考虑了激波爆发源角宽度、能量、驱动时间、激波速度及其与背景太阳风之间的相互作用,利用流体力学扰动方程建立起一个激波扰动传播模型,用于研究激波从太阳传播到地球轨道附近(1 AU处)所需要的时间(渡越时间)问题.为印证扰动传播模型的适用性,利用1979-1989年间的27个激波事件,以及1997年2月到2000年1月间的68个激波事件,对激波到达地球轨道附近的渡越时间进行了预测,并将结果与STOA和ISPM预报模型结果进行了比较.实验表明,该模型在所有95个事件中,渡越时间相对误差小于10%的事件数占总事件数的25.26%;相对误差小于20%的占总事件数的50.53%;相对误差小于30%的占总事件的65.26%.      

运用一维太阳风MHD CE/SE模型预报行星际激波到达时间

在一维太阳风磁流体(MHD)数值模拟中, 应用时空守恒元和解元(Conservation Element/Solution Element, CE/SE)方法, 建立了一个行星际激波扰动传播模型(1D-MHD (CE/SE)模型), 用来预报行星际激波到达时间. 收集了1997年2月至2002年8月间的137个激波事件, 对激波到达地球轨道附近的传播时间进行了预测, 并将预报结果与STOA, ISPM, HAFv.2以及SPM模型所得结果进行比较. 对于相同的样本事件, 1D-MHD (CE/SE)模型给出的渡越时间平均绝对值误差并不大于其他4个模型, 且该模型预报的相对误差小于10 %的事件占25.6 %, 小于30 %的事件占69.3 %, 小于50 %的事件占87.6 %, 其预报精度与其他模型相比基本相当. 这表明该模型在空间天气的激波到达时间预报方面有潜在的应用价值.      

控制力矩陀螺框架谐波减速驱动系统建模与仿真

摘要： 控制力矩陀螺是航天器姿态控制系统的重要执行机构,它具有输出力矩大、速度响应快、功率消耗低、寿命长等优点,可以完成高速率的姿态机动控制.综合考虑谐波减速器的齿隙模型、非线性刚度、减速器效率等因素,对CMG框架驱动组件用谐波减速器进行精细建模.针对低速下谐波减速器的刚度较低、传动误差较大这一缺陷,建立考虑传动误差的减速器模型;与传统的不考虑传动误差的模型相比可更准确地描述谐波减速器在低速下的输出速度曲线.根据建立的CMG框架驱动系统模型,在低速下采用PID闭环控制对输出转速误差进行抑制,使输出转速误差降低了50%以上.最后分析其对谐波减速器刚度和阻尼对框架系统性能的影响.     

WSA太阳风经验模型及其应用

Wang-Sheely-Arge （WSA）模型是对准稳态太阳风的经验和物理相结合的描述,其利用观测的日面磁图作为输入,可以提前3到4天预测L1点处的太阳风速度和行星际磁场极性.WSA模型是在WS模型的基础上经过若干改进形成的实时预报模式,之后又借鉴Distance from the Coronal Hole Boundary （DCHB）模型的参数,进一步改进了太阳风速度关系式,形成了目前常见的形式.WSA经验模型由日冕磁场模型、太阳风速度关系式和一维运动学模型三部分组成.在实际应用过程中,基本步骤包括观测磁图预处理、日冕三维磁场反演、计算日冕磁场参数、计算太阳风的速度分布和将太阳风映射到1AU等环节.在发展过程中,WSA模型经历了一些细节上的调整变化,例如观测磁图数据的来源、日冕磁场模型的类型、经验速度关系中自由系数的取值等.许多研究对如何改善模型的预报效果进行了探索.      

基于迁移学习的太空台风自动识别

太空台风是极盖区内一种新发现的大尺度亮斑状极光结构，直观表征了地磁平静期的一种堪比磁暴的太阳风能量注入现象，这更新了人们对太阳风–磁层–电离层耦合过程的认识，如何从海量星载极光数据中准确髙效识别出太空台风事件具有重要的科学意义。采用深度学习的方法，通过六种网络模型的对比，最终基于迁移学习和EfficientNetB2网络提出了一种太空台风自动识别方法。在2005-2021年美国国防气象卫星（Defense Meteorological Satellite Program,DMSP）上搭载的紫外光谱成像仪（Special Sensor Ultraviolet Spectrographic Imager,SSUSI）的观测数据中验证了该模型的有效性，识别准确率达到97.7%。研究结果表明，该方法可用于从海量星载极光观测数据中自动识别太空台风事件。     

膨胀磁场和太阳风粒子相互作用三维数值模拟

采用三维模型,使用混合网格质点法HPIC(Hybrid Particle-in-Cell)对膨胀的磁场和太阳风相互作用过程进行数值模拟.研究了线圈产生的偶极子磁场在注入等离子体后和太阳风粒子的相互作用过程,并对以不同速度入射的等离子体引起的太阳风粒子的变化和磁场变化进行了比较.研究结果表明,偶极子磁场和太阳风作用时会产生弓形激波,此时磁压等于太阳风粒子的动压,当向线圈产生的偶极子磁场中注入高能等离子体时引起磁场膨胀,膨胀的磁场将会排斥太阳风粒子向外运动,从而引起弓形激波的变化,增大与太阳风相互作用的面积,并且粒子入射速度越大,磁场膨胀越明显,与太阳风相互作用愈强.      

Small-scale deformation of the bow shock

The prediction of the bow shock location is a proof of our understanding of the processes governing the solar wind – magnetosphere interaction. However, the models describing the bow shock location as a function of upstream parameters are based on a statistical processing of bow shock crossings observed by a single spacecraft. Such crossings locate the bow shock in motion, i.e., in a non-equilibrium state and this fact can be a source of significant errors. We have carefully analyzed a long interval of simultaneous observations of the bow shock and magnetopause and another interval of bow shock observations at two well-separated points. Our results suggest that often a small-scale deformation of the bow shock front due to magnetosheath fluctuations is the most appropriate interpretation of observations. Since the low-frequency magnetosheath variations exhibit largest amplitudes, a simultaneous bow shock displacement over a distance of 10–15 R_E can be observed. We suggest that bow shock models can be probably improved if the tilt angle would be implemented as a parameter influencing the bow shock location in high latitudes.     

Rapid and Asymmetric Response of the Earth's Bow Shock:Multipoint Observations

We analyze observations of three bow shock crossings which occurred during 2007, using upstream data from STEREO A/B, ACE and WIND, combined with multi-point THEMIS and Cluster data, and TC-1 data located near noon. During the crossing of 7 May 2007, we find that following a rapid reduction in solar wind ram pressure and subsequent pressure pulse seen by ACE and WIND upstream, the bow shock responds asymmetrically from dawn to dusk. Cluster data on the dawn-side suggest the bow shock is significantly flared and responds rapidly to the pulse arrival, while TC-1 at noon, and THEMIS on the dusk-side, are well matched to the model bow shock, but show a delayed response. The crossings observed on 21 May and 2 June show contrasting response matching the model boundary for northward Interplanetary Magnetic Field (IMF). The IMF and solar wind plasma data suggest that the bow shock crossing at dawn-dusk side and subsolar point were mainly caused by large and smaller scale features of the solar wind ram pressure rise rather than the influence of IMF.      

一类TVD型组合差分方法及其在磁流体数值计算中的应用

根据太阳风数值模拟的特点，考虑到算法的质量（收敛速度、稳定性、精度等），结合磁流体数值计算的特性，对三维球坐标磁流体动力学（MHD）方程组中的流体部分采用一种修正Lax-Friedrichs差分法而对磁场部分采用MacComack格式，发展了一类快捷的具有TVD特性的组合数值新方法，作为格式的检验，在一维情况下，将其与PPM格式进行了比较，对一维快慢磁流体激波问题得到了与PPM格式精度相同的结果，然后将其诮到定态太阳风的数值模拟上，在不同等离子体β情形下，可得到理想的太阳风定态结构，为今后将此数值模式应用到具有复杂磁场位型或三维直实太阳风暴的数值模拟研究奠定了基础。     

行星际起伏向磁层顶的输运

时间尺度为分钟数量级的太阳风速度和行星际磁场大幅度扰动实际上始终存在于行星际空间的。这些扰动一直传输到紧贴磁层边界面外侧的区域。它们在磁鞘等离子体和磁层顶的相互作用过程中可能起很重要的作用。行星际起伏中的磁场分量在通过地球弓激波时首先经历一次跳跃,然后一部分扰动被带到磁层边界面处。在边界面附近磁场扰动幅度被大大地放大了。弓激波上游的太阳风条件控制了放大因子。本文所作的数值模拟研究结果表明,如果上游有大幅度的扰动,在边界面附近就有大幅度的Alfven起伏的磁场分量。当上游磁场接近垂直于日地联线时,放大因子变得相当大,而且放大因子随上游的等离子体β值和/或Alfven马赫数的增加而增加。上游各向异性对放大因子的影响不大。在磁层边界附近存在大幅度起伏表明这里不存在稳定的片流。      

Solar wind electron density and temperature over solar cycle 23: Thermal noise measurements on Wind

We present the solar wind plasma parameters obtained from the Wind spacecraft during more than nine years, encompassing almost the whole solar cycle 23. Since its launch in November 1994 Wind has frequently observed the in-ecliptic solar wind upstream of the Earth’s bow shock. The WIND/WAVES thermal noise receiver was specially designed to measure the in situ plasma thermal noise spectra, from which the electron density and temperature can be accurately determined. We present and discuss histograms of such measurements performed from 1994 to 2003. Using these large data sets, we study the density and core temperature variations with solar activity cycle and with different regimes of the solar wind. We confirm the anticorrelation of the electron density with the sunspot number, and obtain a positive correlation of the core temperature, with the sunspot number.     

Plasma flow variations and energetic protons upstream of the earth’s bow shock: A statistical study

Foreshock is a special region located upstream of the Earth’s bow shock characterized by the presence of various plasma waves and fluctuations caused by the interaction of the solar wind plasma with particles reflected from the bow shock or escaping from the magnetosphere. On the other hand, foreshock fluctuations may modify the bow shock structure and, being carried through the magnetosheath, influence the magnetopause. During the years 1995–2000, the INTERBALL-1 satellite made over 10,000 hours of plasma and energetic particles measurements in the solar wind upstream of the Earth’s bow shock. We have sorted intervals according to the level of solar wind ion flux fluctuations and/or according to the flux of back-streaming energetic protons. An analysis of connection between a level of ion flux fluctuations and fluxes of high-energy protons and their relation to the IMF orientation is presented.     

Energetic positive ions in the cometary “foreshock” region

Ions produced by ionization of the cometary neutrals interact with the solar wind protons to produce large amplitude oscillations of the ambient magnetic field. Such oscillations are convected towards the comet at the unperturbed solar wind speed far from the shock and at a lower speed closer to the shock (due to the solar wind mass loading); hence, they can energize the incoming ions by Fermi acceleration. The spatial extension of the acceleration region is of the order of 10⁶ km and the resulting energy spectrum is harder than in the Earth's bow shock case. The energization of cometary ions produces an additional deceleration of the solar wind. It is suggested that Comet Halley may be the most efficient “cosmic ray shock” in the solar system.