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.      

近地磁尾准无碰撞磁重联事件

综合分析了ClusterⅡ－C1飞船在2001年9月15日飞越地球磁尾等离子体片区的热离子和磁场观测资料。结果表明，约在0340－0440UT时间期间，资料多次呈现出较强的尾向离子流（VXGSM＜0），明显的南向磁场分量（BZGSM＜0），以及明显的晨－昏向磁场分量BYGSM等特征。由此可以推断，在磁尾等离子体片中，在径向方向XGSE＞－18．6Re范围内，可能发生了多次磁重联事件，整个事件持续期约1h。磁重联事件的观测特征与准无（或半）碰撞磁重联理论的基本图像符合一致，因此这些事件应当是准无碰撞磁重联事件。     

行星际磁云边界层中的电子分布函数特征

基于WIND 飞船观测的1995---2006 年间的磁云事件, 研究了磁云边界层中电子的流动图样, 以及电子速度分布函数的特点与电子加热和加速的关系, 得出以下结果. ①磁云边界层中存在的电子流动图样, 包括各向同性、双向流动和单向流动等. ② 相比于背景太阳风和磁云本体, 通常情况下磁云边界层中电子分布函数的核心热电子成分 (E<60eV) 增多, 超热电子成分 (E>60eV) 在沿磁场垂直方向上增多, 而在沿磁场平行或反平行方向以单方向增加为主, 此外, 还在近1/10 的磁云边界层中观测到了高能电子的明显增多. ③对比研究了磁云边界层与磁云驱动的激波对电子速度分布函数的调制作用, 经过激波, 电子分布函数的超热电子成分在各方向上都有增加, 不同于磁云边界层中在沿磁场平行或反平行方向上超热电子成分以单方向增加为主, 表明二者有不同的形成机制. ④考察了磁云边界层中的波活动增强和电子分布函数及离子流量增加的对应关系. 上述观测和对比分析进一步表明了磁云边界层是一种重要的动力学结构, 磁重联是一种可能的形成机制.      

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.      

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.     

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.      

利用Cluster卫星磁尾单事例研究具有复杂核心磁场结构的磁通量绳

2002年8月28日09:50UT-10:50UT,Cluster卫星在地球磁尾观测到一次导向场磁场重联事件.卫星观测到磁场重联扩散区附近清晰的霍尔（Hall）四极型磁结构.由于导向场的存在,该四极型结构被扭曲变形.在该磁场重联事件中,卫星观测到多个磁通量绳,大部分磁通量绳的核心场极性与导向场极性一致.但是,其中一例磁通量绳的核心场结构极性较复杂.该例磁通量绳中心区域核心场强度出现峰值,核心场极性和导向场极性一致;中心以外区域的核心场极性和导向场极性相反.这种复杂核心场结构以前未见报道.通过最小方向导数法,发现该磁通量绳的轴向是弯曲的.C1和C3卫星穿越了磁通量绳弯曲部分,探测到核心场极性变化;C2和C4卫星位于C1和C3卫星的北侧,仅穿越了磁通量绳弯曲处的一部分,故核心场具有单极性.      

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.      

等离子体彗尾动力学的数值研究

本文基于可压缩磁流体动力学模型,数值研究了尾瓣巾具有超Alfven速流动的等离子体彗尾的动力学特征。结果表明,等离子体片和尾瓣之间的剪切等离子体流动将会激发流动撕裂模不稳定性,引起彗尾等离子体片中发生磁场重联,形成磁岛和高密度的等离子体团。进而模拟了太阳风引起的局部驱动力对等离子体彗尾中磁场重联的影响,其特征时间远大于流动撕裂模。我们认为一些观测到的等离子体彗尾中的四块和彗尾截断事件可能主要与彗尾中剪切等离子体流动所引起的流动撕裂模不稳定性有关。      

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。     

Global Hybrid Simulation of Magnetic Reconnection in the Magnetosheath

A three-dimensional (3-D) global hybrid simulation is carried out for the generation and structure of magnetic reconnection in the magnetosheath due to interaction of an interplanetary Tangential Discontinuity (TD) with the bow shock and magnetosphere. Runs are performed for solar wind TDs possessing different initial half-widths. As the TD propagates through the bow shock toward the magnetopause, it is greatly narrowed by a two-step compression processes, a "shock compression' followed by a subsequent ``convective compression'. In cases with a relatively thin solar wind TD, 3-D patchy reconnection is initiated in the transmitted TD, forming magnetosheath flux ropes. Multiple components of ion particles are present in the velocity distribution in the magnetosheath merging, accompanied by ion heating. For cases with a relatively wide initial TD, a dominant single X-line appears in the subsolar magnetosheath after the transmitted TD is narrowed. A shock analysis is performed for the detailed structure of magnetic reconnection in the magnetosheath. Rotational Discontinuity (RD)/Time-Dependent Intermediate Shock (TDIS) are found to dominate the reconnection layer, which and some weak slow shocks are responsible for the ion heating and acceleration.      

Structure and kinetic properties of slow-mode shocks associated with magnetic reconnection in the near-Earth magnetotail

We study the structure and kinetic properties of slow-mode shocks near the plasma sheet boundary layer (PSBL) associated with magnetic reconnection by Cluster observation. The presence of slow-mode shocks is confirmed by traditional Rankine–Hugoniot (RH) analysis and Monte-Carlo shock fitting method. The Walén analysis, applied to the tailward flow associated with slow-mode shocks, also supports that plasma was accelerated across a Petschek-type slow-mode shock connected to the diffusion region. Back-streaming ions were observed on the shock layer, and cold ions were accelerated and heated by slow-mode shocks. In addition, whistler and electrostatic solitary waves were observed around the slow-mode shocks. These waves might be excited by the observed field-aligned electron beams near the shocks.     

A transient MHD model applicable for the source of solar cosmic ray acceleration

A two-dimensional, time-dependent magnetohydrodynamic (MHD) model is used to describe the possible mechanisms for the source of solar cosmic ray acceleration following a solar flare. The hypothesis is based on the propagation of fast mode MHD shocks following a sudden release of energy. This model has already been used with some success for simulation of some major features of type II shocks and white light coronal transients. In this presentation, we have studied the effects of initial magnetic topology and strength on the formation of MHD shocks. We consider the plasma beta (thermal pressure/magnetic pressure) as a measure of the $\text{initial}$, relative strength of the field. During dynamic mass motion, the Alfvén Mach number is the more appropriate measure of the magnetic field's ability to control the outward motion. We suggest that this model (computed self-consistently) provides the shock wave and the disturbed mass motion behind it as likely sources for solar cosmic ray acceleration.     

2.5维自适应磁场重联MHD模式

磁雷诺数(R_m)是影响磁场重联的重要因素. 真实的物理环境中R_m往往很高, 例如, 在行星际空间和太阳日冕中R_m通常大于104量级. 高R_m条件下的磁重联表现出很多异常特性, 然而高R_m条件下的磁场重联数值模拟需要很高的时空分辨率, 否则很难分辨出重联过程中形成的薄电流片. 本文基于自适应软件包PARAMESH将并行自适应网格技术引入磁场重联数值模拟, 建立了一个2.5维自适应磁场重联MHD模式, 研究高磁雷诺数条件下重联的动态演化过程, 进而将不同磁雷诺数的参数进行对比研究. 结果表明, 该模式可以自动捕捉到磁场重联产生的奇性电流片, 高磁雷诺数条件下产生的慢激波结构可提供一种快速磁能释放机制.      

Signatures of magnetic reconnection in solar radio observations?

Magnetic reconnection occurs during eruptive processes (flares, CMEs) in the solar corona. This leads to a change of magnetic connectivity. Nonthermal electrons propagate along the coronal magnetic field thereby exciting dm- and m-wave radio burst emission after acceleration during reconnection or other energy release processes in heights of some Mm to ⩾700 Mm. We summarize the results of some case studies which can be interpreted as radio evidence of magnetic reconnection: under certain conditions, simple spectral structures (pulsation pulses, reverse drift bursts) are formed by simultaneously acting but widely spaced radio sources. Narrowband spikes are emitted as a side-effect during large-scale coronal loop collisions. In dynamic radio spectra, the lower fast mode shock formed in the reconnection outflow appears as type II burst-like but nondrifting emission lane. It has been several times observed at the harmonic mode of the local plasma frequency between 250 and 500 MHz and at heights of ≈200 Mm.     

多重激波的数值模拟研究

本文用一维混合粒子模拟Code研究了包括中间激波在内的多重激波.模拟了四种情形,可以分为两类:(1)由快激波和中间激波构成的两重激波,(2)快激波、中间激波和慢激波构成的三重激波.结果表明:多重激波是不稳定的,它趋向于发展成磁流体旋转间断和MHD波,左旋圆偏振波逐渐在上游区内发展起来.文章对导致多重激波不稳定性的可能原因进行了简单的讨论.     

一种确定模拟的行星际MHD激波局地参数的新方法

简要阐述了分析模拟的行星际磁流体力学（MHD）激波的局部性质时，采用无厚度局部平面激波这一假设的合理性，说明了在激波未扰动区域（激波上游），物理量在几个小时内的变化很小这一事实，利用平面激波的分析方法，提出了分析模拟的行星际MHD激波的新方法，包括激波位置的确定，上下游状态参数的选择，激波局部参数的计算以及激波的分类，最后应用这种方法对一个二维的MHD模拟结果进行了分析。结果证实了过去文献关于磁流体力学混合激波空间连接和时间演化的链式规则，而且说明位于太阳赤道附近的慢激波和中间激波最终会发展为快激波。     

磁流体斜激波的碰撞

讨论了磁流体斜激波之间的碰撞及其与接触间断的相互作用规律,主要结论如下:(1)两个快激波碰撞后交换位置,同时出现一接触间断和一慢稀疏波对。(2)两个慢激波碰撞后交换位置且强度减弱,同时出现一接触间断和一块激波对。(3)一前向快激波与一后向慢激波碰撞后交换位置,快激波强度增加,慢激波强度减弱,同时出现一后向快激波、一负接触间断和一前向慢稀疏波。(4)一前向快激波与一正(负)接触间断相互作用后交换位置,快激波减弱,同时出现一后向快稀疏波(快激波)、一后向慢激波和一前向慢激波(慢稀疏波).(5)一前向慢激波与一正(负)接触间断相互作用后交换位置,慢激波减弱,同时出现一后向慢稀疏波(慢激波)和一快稀疏波(快激波)对。      

行星际慢激波的传播和演化

采用二维理想MHD模型，分别在日球赤道面(二维二分量模型)和日球子午面(二维三分量模型)内研究太阳风中慢激波的传播和演化规律．结果表明，慢激波在向外传播的过程中逐渐演化为由原慢激波和新产生的快激波构成的激波系统，该激波系统在子午面内相对慢激波源中心法线基本对称，而在赤道面内则是不对称的：快激波阵面和慢激波阵面之间存在一个切触点，该处两个激波合并，蜕化为气体激波．上述切触点相对激波源中心法线东偏，且东偏角度在激波系统向外传播过程中不断增加．初步分析表明，行星际磁场的螺旋结构是产生日球赤道面内慢激波传播和演化的东西不对称性的主要原因．