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.      

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。      

磁鞘快速流引起的磁层顶凹陷事件

最近研究表明,磁层顶凹陷对磁层-电离层耦合具有重要作用.但是,磁层顶凹陷现象的确认需要多颗卫星的联合观测,目前为止报道的磁层顶凹陷事例非常少.本文利用THEMIS5颗卫星的联合观测结果,分析了一例由磁鞘快速流引起的磁层顶凹陷事件.2007年7月21日10:00 UT—10:45 UT,位于日下点磁层顶附近的THEMIS卫星在磁鞘观测到很强的地向流（约400km·-1）,随后THEMIS5颗卫星相继穿越磁层顶进入磁层.通过最小方差MVA方法确认局部磁层顶法向,与经典磁层顶模型比较发现,磁鞘快速流压缩磁层顶形成局部凹陷.为了探究此磁鞘快速流的起源,对位于L1点的WIND卫星观测到的太阳风数据进行分析发现:在这个时间段内太阳风条件非常稳定,行星际磁场主要为径向,磁场南北向分量非常小.由此推测此磁鞘快速流的产生很可能与径向行星际磁场有关.      

火星空间大尺度电流体系分布特征

在MHD模型基础上, 对火星空间环境的电流分布进行了模拟. 结果表明, 火星空间存在着弓激波电流、磁堆积区电流、电离层电流和磁尾电流. 弓激波电流在激波曲面上均由北向南自成体系, 电流密度在弓激波顶区域较大. 在向阳面磁堆积区边界电流与电离层电流彼此耦合形成完整的回路, 在背阳面磁堆积区边界电流与磁尾中心电流片耦合形成完整的回路.      

利用TIE-GCM模式计算电离层电流及夜间电离层磁场

电离层电流产生的磁场是地磁场卫星测绘时需要剔除的干扰源.利用电离层热层模式TIE-GCM计算电离层中的中性风、重力驱动和压强梯度等形成的电离层电流的全球分布,分析电流在特定位置产生的磁场及磁场三分量随纬度的变化规律.结果表明,E层尤其是磁赤道和极区的电流密度较大,可达103nA·m-2量级,F层电流密度量级约为10nA·m-2.在磁静日（Kp≤ 1）夜间22:00LT-04:00LT,电离层电流在中低纬度（南北纬50°之间）产生的磁场量级为几个nT,且磁场的南北向分量和径向分量基本大于东西向分量.通过与CHAMP卫星磁测数据分析比较,发现TIE-GCM模式计算电离层干扰磁场在中低纬度可以取得较好的结果,但在高纬度地区的效果不理想,还需进一步改进模式以提高计算精度.      

2001年9月15日Cluster卫星对电流片的观测研究

2001年9月15日0430-0515 UT期间,Cluster卫星多次穿越磁尾电流片.由FGM、CIS等仪器获得了电流片磁场,粒子速度等数据变化情况,并得到了磁尾高速流的两次明显反转.本文采用GSM坐标系.利用求磁场空间梯度张量的方法获得了越尾电流,其电流密度的峰值为28nA/m2.并对电流片在垂直方向上的摆动和在晨昏方向的波动现象进行了分析.数据显示此时电流片为薄电流片并有一个变薄的趋势,其厚度大约为0.2-0.3 Re.磁场重联时地向流与尾向流均超过了1000 km/s,并测得了电流片的法线方向和运动速度,从而得到了磁尾电流片的结构和运动情况.      

火星磁层顶形成和变化的理论研究

考虑太阳风动压与行星电离层中的带电粒子热压及磁压之和平衡，建立了有大气（电离层）的行星磁层顶形成的理论模型，结合卫星对火星的观测数据，对子午面内向日侧火星磁层顶位形进行了数值计算和分析，研究了火星磁层顶位形及其与太阳风动压之间的变化关系．结果认为，火星磁层顶位形与地球磁层顶相似．太阳风动压越大，火星磁层顶越靠近火星；太阳风动压越弱，火星磁层顶越远离火星．根据火星内秉磁矩从古到今逐渐减小的观点，探索了大尺度磁场（内禀磁矩）对火星磁层顶的贡献作用，结果认为大尺度磁场越强，火星磁层顶越远离行星．这对于进一步研究火星磁层的长期演化以及其他行星磁层的位形变化都具有重要的意义．     

IMF北向时太阳风粒子向磁层输运的试验粒子模拟研究

以ACE卫星实时观测数据驱动的全球磁流体模拟为背景场,选取2003年10月22－24日行星际磁场（IMF）持续北向的事件,使用试验粒子方法,对太阳风粒子向磁层输运的过程进行模拟研究,分析北向IMF下太阳风粒子注入磁层过程中粒子在磁层内的空间分布和时间演化特征。IMF北向期间,进入环电流区域的粒子在晨侧区域的密度大于昏侧,且晨侧的粒子分布范围更广。背阳面磁鞘中的太阳风粒子可以通过低纬边界层进入磁层,但很难通过南北侧磁层顶进入磁层。进入磁尾的太阳风粒子聚集形成冷而密的等离子体片（CDPS）,模拟中CDPS的空间分布和密度大小与观测数据符合。在IMF长时间北向期间,磁尾的粒子数量呈现随时间增长的趋势,并存在约20 min的小幅度准周期变化和约5~6 h的较大幅度的准周期变化。      

TC-1和Cluster对向阳侧磁层顶通量传输事件的联合观测研究

2004年2至4月期间,探测一号(TC-1)卫星和Cluster卫星有25次同时处在向阳侧磁层顶附近的磁鞘内,TC-1卫星在低纬区,Cluster卫星在中高纬区.利用这一期间两卫星探测到的27个通量传输事件(FTE),分析行星际磁场(IMF)横向分量BT={By,Bz}对磁层顶重联发生位置的影响,以及分量重联的观测事实,得到如下主要结果.(1)当IMF南向分量Bz占优势(|Bz|＞|By|)时,FTE大多(约占87.5%)能在低纬观测到,而当IMF By分量占优势(|Bz|＜|By|)时,则FTE大部分能在中高纬观测到(占84.2%);(2)很少观测到相关联的事件(关联事件指在低纬生成的FTE,向高纬运动中先后被TC-1卫星和Cluster卫星探测到的事件),表明在低纬形成的FTE可能大多沿磁层顶两侧滑向磁尾,只有少数可能运动到高纬地区;(3)中纬地区探测到的FTE大多是以分量重联方式产生于该区,而非来自磁赤道附近成对形成的FTE.      

基于Cluster观测的磁尾场向电流在南北半球投影位置的分布

利用Cluster四颗卫星的磁场探测数据计算磁尾场向电流并投影到极区电离层,研究其投影位置在南北半球的分布规律,统计过程中去除了强磁暴（磁暴主相Dst<–100 nT）期间的场向电流事件。结果显示:磁尾场向电流事件在极区投影位置的纬度分布具有明显的南北半球不对称性,北半球为单峰结构,南半球为双峰结构。在北半球投影到较低纬度（<64°）的场向电流事件数目明显多于南半球,并且所能达到的最低纬度更低;在南半球投影到较高纬度（>74°）的场向电流事件数目明显多于北半球,并且所能达到的最高纬度更高。地磁平静条件下（|AL|<100 nT）,磁尾场向电流密度随磁地方时（MLT）呈递增趋势,这一结果与低高度卫星在极区对I区场向电流的探测结果符合很好。研究结果表明,磁尾场向电流投影位置的纬度分布呈现出明显的南北不对称性,这与南北半球磁尾场向电流的空间分布以及磁层中磁场结构具有密切关系。      

The solar wind control of the equatorial ionosphere dynamics during geomagnetic storms

The interplanetary magnetic field, geomagnetic variations, virtual ionosphere height h′F, and the critical frequency foF2 data during the geomagnetic storms are studied to demonstrate relationships between these phenomena. We study 5-min ionospheric variations using the first Western Pacific Ionosphere Campaign (1998–1999) observations, 5-min interplanetary magnetic field (IMF) and 5-min auroral electrojets data during a moderate geomagnetic storm. These data allowed us to demonstrate that the auroral and the equatorial ionospheric phenomena are developed practically simultaneously. Hourly average of the ionospheric foF2 and h′F variations at near equatorial stations during a similar storm show the same behavior. We suppose this is due to interaction between electric fields of the auroral and the equatorial ionosphere during geomagnetic storms. It is shown that the low-latitude ionosphere dynamics during these moderate storms was defined by the southward direction of the B_z-component of the interplanetary magnetic field. A southward IMF produces the Region I and Region II field-aligned currents (FAC) and polar electrojet current systems. We assume that the short-term ionospheric variations during geomagnetic storms can be explained mainly by the electric field of the FAC. The electric fields of the field-aligned currents can penetrate throughout the mid-latitude ionosphere to the equator and may serve as a coupling agent between the auroral and the equatorial ionosphere.     

磁尾瓣区的场向电流

本文利用ISEE-2卫星的磁场和粒子资料(电子:75keVδ<1300keV,质子:170keVp<400keV),发现在磁尾远离等离子片的尾瓣区,常常同时探测到粒子脉冲和横向磁场扰动,表明有场向电流片存在。电流片的积分强度在3.3—21mA/m之间,与Frank等在磁尾等离子片边界上测量到的场向片电流积分强度可相比较。电流片总是成双成对,电流片的强度与AE指数或亚暴的关系密切。和磁层其他区域不同,在磁尾瓣区,经常探测到△B_x和△B_y同时存在,且△B_x和△B_y可相比拟的情形,它们可以用运动的线电流或不均匀密度的电流片来解释。      

磁尾中性片与磁尾正交曲线坐标系

根据磁尾中性计随地磁倾角变化的特点用光滑函数拟合中性片曲面模式,并用ISEE卫星的磁场资料来确定曲面参数。本中性片模式既保持了中性片的基本变化特征,又可以在近地处光滑过渡到赤道面。在此基础上,建立了一个以中性片曲面为坐标面的磁尾正交曲线坐标系。这个坐标系随地磁倾角的变化而变化,用这个坐标系可将不同的地磁倾角的磁场位形变换成地磁倾角为零时的标准形式,从而便于分析卫星的观测数据。      

近地磁尾方位角流期间的场向电流增强

以往研究表明，地向高速流在近地磁尾可演化为方位角流，电离层内的方位角流和极光膨胀活动发生时，通过磁力线追踪到近地磁尾等离子体片的对应部分通常为地向和方位角高速流.通过对2016-2018年THEMIS卫星计划中THA，THD，THE三颗卫星同时观测到的数据进行分析、甄别后，在筛选出的62个事件中挑选一个典型的方位角流事件，与过去单颗卫星在不同时间段内的观测数据统计平均给出的结果进行对比分析发现，三颗卫星同时观测到的数据与过去单颗卫星在不同时间段内观测数据的统计平均结果存在较大差异.通过比较此事件期间等离子体流在xy平面的流场图发现，场向电流的大小与三颗卫星同时观测到的流场剪切度有较好的相关性.研究结果表明，方位角流期间近地磁尾和电离层通过场向电流耦合时，场向电流并不是在一个较宽的磁地方时内均匀分布，而是在一个局域化区域及较短的时间内产生强场向电流，这可能是由于方位角流在xy平面内的强剪切而造成的.      

基于MARSIS的火星低纬度电离层统计特性研究

在对欧空局火星快车探测器搭载的MARSIS雷达的浅表层探测数据进行校准过程中,获得了火星电离层的总电子含量(total electron content,TEC)观测数据。利用该数据,计算火星低纬度地区电离层的峰值电子密度和标高;并对其进行统计分析发现,在低纬度地区,火星冬季电离层的标高和峰值电子密度均较夏季高,即冬季电离层较夏季更显著,且春季电离层的电子密度梯度最大。     

地球磁尾的电场模式

地球磁层中的电场是磁层等离子体运动的主要驱动力。目前常用的磁层电场为均匀晨昏电场和投影电场。本文假定磁力线为电场的等位线，地球电离层电场看做磁层电场沿磁力线在电离层的投影。利用Tsyganenko磁场模式（T89），沿磁力线反电离层电场投影到磁尾，得到了一个新的磁层电场模式。文中对偶极磁场和T89磁场模式下的投影场作了比较，说明本模式突破了偶极磁场的局限，在磁层有更大的适用范围。     

远磁尾磁层顶位形的偏转

利用WIND和ARTEMIS卫星观测数据，分析远磁尾磁层顶对行星际和太阳风变化的响应，尤其是偏离日地连线的太阳风速度改变对远磁尾磁层顶的影响.研究发现在2011年9月13日的事件中，P2卫星观测到高速且高密度的磁鞘流.利用最小变量法进行分析发现，磁层顶沿着偏离日地连线的太阳风速度方向发生偏转.根据相似三角形定理，推断出本次事件中磁层顶在y方向和z方向上的偏转幅度分别达到10R_e和6R_e.P1和P2卫星的相对位置也证实了这一观点.因此，偏离日地连线的太阳风速度对远磁尾磁层顶的位形影响很大.研究结果可为建立包含太阳风速度v_y和v_z效应的磁层顶模型提供观测证据.