基于嫦娥一号高能粒子数据的地球磁层屏蔽效应研究

月球绕地球运行轨道约有1/4位于地球磁层内,因此,地球磁层是否会为月球轨道附近高能粒子提供足够的磁场屏蔽对于探索月球活动具有重要影响.嫦娥一号是中国首颗绕月人造卫星,其绕月飞行的工作轨道距离月球表面200 km.通过对嫦娥一号高能粒子探测器(HPD)的探测数据进行分析,比较了当月球位于地球磁层内外6个不同能道(能量范围4～400 MeV)时质子通量的变化,发现当月球位于地球磁层内时,这些能道的质子通量并没有发生显著减少,结果表明地球磁层不能为月球轨道附近高能粒子提供显著的磁屏蔽.     

强磁暴、能量粒子暴与热层大气密度涨落之间的相关关系

利用1997-2007年由GOES8, GOES11和GOES12星载高能粒子探测器在地球同步轨道高度上所探测到的高能质子和高能电子通量探测数据以及高度560km左右星载大气密度探测器所得的热层大气密度探测数据, 统计分析了强地磁扰动、高能粒子通量跃变和热层大气密度涨落之间的相关关系, 初步获得强地磁扰动期间, 地球同步轨道(外辐射带外环)均出现了增幅大于三个数量级的高能质子通量(尤其是E>1MeV)强增强现象, 随后热 层大气密度强烈上涨, 表明三者之间是正相关关系. 在时间上地球同步轨道高能质子通量强增强现象先于日均Ap值(地磁活动程度)上涨约一天左右, 而热层大气密度强涨落现象又明显滞后于强地磁扰动事件.      

基于MHD模拟数据的正午午夜子午面磁层顶位形研究

通过分析太阳风-磁层-电离层系统的三维全球磁流体力学(MHD)模型的计算数据, 给出了正午-午夜子午面磁层顶位形的定量模型. 分析表明, 正午-午夜子午面磁层顶位形可以用文献[3]提出的基于卫星观测数据的、描述赤道面磁层顶位形的函数来描述. 与赤道面磁层顶不同, 正午-午夜子午面磁层顶位形更为复杂. 在忽略极尖区(cusp)的简化条件下, 磁层顶位形仍需利用两条曲线来拟合. 太阳风动压Dp与行星际磁场分量Bz是控制磁层顶位形的主要因素. 行星际磁场为北向时, 磁场增强, 日下点距离r0增大; 行星际磁场为南向时, 磁场增强, 磁层顶日下点距离r0减小. 整体而言, 行星际磁场分量Bz由南转北时, r0增大, 且Bz对r0的影响减弱. 太阳风动压Dp是控制磁层顶日下点的主要因素, Dp增大, r0减小. 磁层顶位形的另一个参数磁层顶磁尾张角α, 随着行星际磁场南向分量增强而增大, 即磁层顶张开程度更加显著, 更多的磁通量由向阳侧传输到夜侧; Dp增大, α略增大, 这意味着Dp对磁通量由日侧向夜侧的传输也有一定的贡献.      

几种材料的磁层亚暴环模试验

<正> 一、引言星际空间存在运动着的带电粒子。当太阳风粒子到达地球磁层顶且随着太阳风粒子而来的星际磁场,指向地磁南极时,太阳风中的感应电流产生的附加场使地磁场发生畸变。迎着太阳的一面较为扁平,而背着太阳的一面形成一个很长的磁尾。在磁尾区,太阳风粒子的注入(它们的能量为几十电子伏到几千电子伏)引起了高能粒子的大量增加。这些高能粒子在     

空间等离子体与垂直无碰撞激波相互作用的数值实验

应用混合模拟方法数值研究了高Ａｌｆｖｅｎ－Ｍａｃｈ数垂直无碰撞激波与等离子体间的相互作用。结果表明，激波上游的磁场非常稳定，粒子分布近似为Ｍａｘｗｅｌｌ分布。激波下游磁场存在不规则的湍动，质子分布有一个高能尾，且有些质子被激波反射。跟踪少量高速质子的计算结果表明，在ｔ＝４０Ωｉ＾－１时约有４０％的质子被激波反射，而７％质子可被加速，最大速度值可达到２０ＶＡ激波区的电场分布对质子的减速或加速起了主要     

行星际激波导致的磁尾等离子片中ULF波动事件

磁层中的超低频（ULF）波动在太阳风和磁层之间的能量输运过程中具有重要作用.ULF波动主要发生在内磁层，且内磁层中ULF波动影响粒子的加速及沉降，而在夜侧磁层尤其是磁尾等离子片中观测到的ULF波动比较少.基于中国自主磁层探测卫星TC-1的观测数据，发现了两例行星际激波导致的磁尾中心等离子片中ULF波动事件，并发现这两例ULF事例都包含很强的环向模驻波分量，与以往THEMIS卫星报道的同类事件观测特征相符.根据ULF波的观测特征，分析了这两例ULF波动的可能触发机制.研究结果有助于深入理解磁层对行星际激波的全球响应.      

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.      

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。      

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。      

地球磁场对太阳风扰动响应的研究

分别对行星际激波、太阳风动压增大事件和减小事件的地球磁场响应进行了比较. 分析结果表明, 同步轨道磁场对太阳风扰动在向阳面产生较强的正响应, 在背阳面 响应较弱且有时会出现负响应, 地磁指数SYM-H对太阳风扰动的响应为正响应. 同时还得出, 向阳侧同步轨道磁场响应幅度d Bz与地磁指数响应幅度d SYM-H、上下游动压均方差均具有较好的相关性. 地磁指数响应幅度与同步轨道磁场响应幅度相关关系在激波和动压增大事件中具有一致性, 动压减小事件出 现明显差异, 这说明激波和动压增大事件在影响地球磁场方面具有某种共性.      

太阳风动压脉冲结构与地磁急始关系研究

针对1994-2011年的363例地磁急始事件,基于太阳风动压脉冲（DPP）结构自动识别算法确定是否有相应的太阳风动压脉冲结构事件与其相关联,进而针对太阳风动压脉冲结构地磁急始关联事件进行统计分析研究.研究结果显示:91%的地磁急始事件与DPP事件相关联,53%的地磁急始事件与行星际激波相关联,这表明太阳风动压脉冲结构是引起地磁急始更普遍的原因;引起地磁急始的太阳风动压脉冲结构事件约70%发生在行星际日冕物质抛射、共转相互作用区以及行星际日冕物质抛射和/或共转相互作用区相互作用形成的复杂抛射物等大尺度太阳风扰动结构中,且其平均动压变化幅度为3.9nPa,强太阳风动压脉冲结构事件占全体事件的42%;地磁急始事件变化幅度与太阳风动压脉冲变化幅度以及上下游动压平方根差之间存在明显的相关关系,相关系数分别为0.79和0.82,并且行星际磁场南向时相关性更强;太阳风动压脉冲结构事件持续时间、传播速度、动压变化幅度对地磁急始事件的持续时间有一定影响,但这些参数与地磁急始事件的相关关系较弱.研究结果可为基于太阳风动压脉冲结构特征参数开展地磁急始预报提供研究基础.      

强磁场扰动对宇宙线调制的统计研究

对1978─1982太阳活动高年时发生的激波、强磁场扰动及激波与强磁场扰动共存这三类事件引起的宇宙线变化进行了统计研究,得到如下结果:(1)激波与强磁场扰动共存时引起的宇宙线强度下降最为显着;只有激波或强磁场扰动时,宇宙线的强度变化相对较小;(2)标志速度间断的激波是产生宇宙线Forbush下降的重要因素;(3)速度间断在强磁场扰动对宇宙线的调制中可能起一个触发的作用。      

太阳风动压脉冲结构的方向与种类统计研究

基于WIND飞船1995-2014年观测到的13042例非激波太阳风动压脉冲结构（Dynamic Pressure Pulse,DPP）事件列表,统计分析DPP事件法向分布特征,讨论其种类分布.研究发现:DPP事件上下游磁场矢量之间的夹角分布统计上呈双幂律谱分布;60.46%的非激波DPP事件法向矢量的倾斜角-方向角（θ_n-φ_n）主要集中分布在-50° ≤θ_n≤ 50°,160° ≤φ_n≤ 250°的区域内;θ_n-φ_n分布图的中心位置大概为（-22.83°,186.59°）;根据DPP的上下游磁场变化特征,可将DPP分为切向间断（TD）、旋转间断（RD）、混合间断（ED）及其他间断（ND）结构,四者所占比例分别为46.42%,19.53%,27.47%,6.58%.统计结果表明DPP事件TD占优.此外,TD/RD数量的比值在太阳活动低年时明显偏大.研究结果可为下一步准确预报DPP到磁层的传播时间以及探究DPP的形成机理等提供观测依据.      

行星际结构与垂直无碰撞激波的相互作用

应用一维混合模拟方法数值研究了两种行星际结构──反向磁场和高密度等离子团与垂直无碰撞激波的相互作用．结果表明，随着激波上游区磁场的反向，下游区磁场将逐渐改变符号，且等离子体密度和速度分别呈现较强的湍动．激波上游和下游的物理量依然满足Rankine-Hugonoit关系．当高密度的等离子体团通过垂直无碰撞激波时，部分质子被激波反射，部分质子被加速并进入下游区域．由于质子速度分布为非Maxwell分布，在激波下游也激发出较强的湍动．     

地球磁鞘中磁场起伏特性的分布

本文利用行星际起伏通过激波后的变化的MHD模型, 具体讨论了地球磁鞘中磁场起伏特性在黄道面内的分布.主要结果是:(1)行星际磁场起伏的强度和各向异性在磁鞘中被显著放大;(2)行星际磁场基本位于黄道面内时, 磁鞘中磁场起伏特性(强度、相对起伏和各向异性等)呈现明显的晨一昏不对称性, 早晨侧(准平行激波)显著地高于黄昏侧(准垂直激波);(3)行星际磁场方向对磁场起伏特性在磁鞘中的分布有强烈的控制作用, 早晨侧响应灵敏, 黄昏侧反响不大.相对地讲, 黄昏侧的磁活动较之早晨侧稳定;(4)行星际磁场转南的增强将导致磁鞘中磁场起伏的最大区域自黄道面低纬向北极高纬移动, 南-北不对称性磁活动随之加强, 最强大致出现在磁场与黄道面相交成大约45°时, 而晨-昏不对称性的强弱程度则发生相反变化;(5)行星际磁场的相对起伏增加, 晨-昏不对称性反随之减弱.磁鞘中磁场起伏分布的特性与卫星观测大体符合, 是磁顶、边界层某些晨-管不对称性出现的可能起因之一.      

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.      

关于冲击波在环形磁场中的传播

本文求解了点源爆炸波在环形磁场中传播的非自型问题。以耀斑引起的击波传播为例讨论了解的应用。从中可以看到,磁场扰动呈U形,主要发生在0.5Re—1.0Re的击波区域;行星际磁场的存在使击波到达1AU的时间延长了几个小时;击波必须具有大于磁截止能量E_M=λ₁S2/4π J₀R时(符号意义见内容)才有可能传播到1AU以远的地方,日冕磁场结构对耀斑击波进入行星际空间的传播有重要作用。      

Magnetic Field Fluctuations in the Solar Wind, Foreshock and Magnetosheath： Cluster Data Analysis

46 magnetosheath crossing events from the two years (2001.2-2003.1) of Cluster magnetic field measurements are identified and used to investigate the characters of the magnetic field fluctuations in the regions of undisturbed solar wind, foreshock, magnetosheath. The preliminary results indicate the properties of the plasma turbulence in the magnetosheath are strongly controlled by IMF orientation with respect to the bow shock normal. The amplitude of the magnetic field magnitude and direction variations behind quasi-parallel bow shock are larger than those behind quasi-perpendicular bow shock. Almost purely compressional waves are found in quasi-perpendicular magnetosheath.     

Energization of charged particle in a time-dependent chaotic magnetic field with an implication of the production of seed particles in solar energetic particle events

We investigate the acceleration of charged particles in a time-dependent chaotic magnetic field in this work. In earlier works, it has been demonstrated that in an asymmetric wire-loop current systems (WLCSs), the magnetic field is of chaotic in nature. Furthermore, observations also showed that there exist time-varying current loops and current filaments in solar corona. It is therefore natural to conceive that the magnetic field on the solar surface is chaotic and time-dependent. Here, we develop a numerical model to study the acceleration process of charged particles in a time-varying chaotic magnetic field that is generated by an ensemble of 8 WLCSs. We found that the motion of energetic particles in the system is of diffusive in nature and a power law spectrum can quickly develop. The mechanism examined here may serve as an efficient pre-acceleration mechanism that generates the so-called seed particles for diffusive shock acceleration at a coronal mass ejection (CME) driven shock in large solar energetic particle (SEP) events.     

Interaction of shocks with a current sheet and reconnection in the solar corona

Interaction of shocks with a current sheet is investigated within a 2D MHD model based on an improved FCT numerical scheme. Basic parameters of the problem are chosen to correspond to situations in the solar corona with low plasma β and moderate shock strength. Slow and fast MHD shocks are introduced with shock normal parallel to magnetic field lines. The interaction with the current sheet causes distortion of the shock front and this distorts the magnetic field lines and generates electric current. Large current densities are generated especially when the fast MHD shock becomes the intermediate MHD shock at the current sheet. Then peak values of the current density are about 3–4 times larger than the initial undisturbed values in the current sheet.