子午面内Alfven波的传播特征

本文使用由ＷＫＢ近似得到的Ａｌｆｖｅｎ波传播的张量表达式，具体计算和讨论了一种太阳子午面内含盔形－电流片磁位形的流场中Ａｌｆｖｅｎ波的传播特征，主要结果是：（１）Ａｌｆｖｅｎ波磁场起伏随日心距离的增而而衰减，其中极开区的衰减远快于赤道区，但随着距离的增大，这种纬度关系将迅速变弱，以致在较远空间，磁起伏相差很小，衰减很慢；（２）Ａｌｆｖｅｎ波的相对磁场起伏ｂ／Ｂ随距离的增加而迅速增大，在几个太阳半径     

Alfven波在微电离大气中的衰减特性研究

利用简单的偶极子地磁场模型以及大气电子密度和电导率模式, 分析地面产生的磁扰动以Alfven波的模式传播到近地空间区域. 这种地面的磁扰动可能干扰近地空间卫星对空间磁扰动的观测. 通过对地面磁扰动Alfven波模式1000 km高度内的衰减情况进行模拟, 认为在近地空间采用地磁偶极子模型是合理的. 由于衰减随扰动频率的增大而急剧增强, 分析还得到了近地卫星能够探测到地面磁扰动的最大频率. 计算结果表明, Alfven波的衰减主要集中在高度50 km以下, 这个区域内的大气电导率极其微弱, 使Alfven波的传播受到极大衰减. 0.4 Hz以下的Alfven波沿磁力线传播到1000 km高度后衰减结为原来扰动幅度的千分之一, 因此频率在0.4 Hz以下的Alfven波可能会干扰低轨卫星探测磁场脉动.      

行星际高密度结构的磁场位形

本文统计分析了第20太阳周行星际高密度结构的磁场位形。结果说明当出现高密度结构时行星际磁场相对于黄道面的倾角约增大10°。这种增大并非流相互作用或电流片倾斜和折皱所引起的,而可能是非恒稳太阳风流所具有的磁场位形。当出现高速流或扇形边界时,由于高密度结构后平行于Parker螺旋线的分量增大,磁场在黄逋面内对螺旋线的偏离角减小。      

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.      

嵌套闭磁场结构内CME产生和传播的数值模拟

给出了特殊类型的日冕物质抛射(CME)数值模拟定性结果,这种CME核心闭磁场结构前半部分磁力线的方向与太阳整体偶极场磁力线的方向相反．计算结果表明,这种CME核心闭磁场结构磁力线与太阳整体偶极场反向磁力线之间存在过渡磁场结构,在向外传播时过渡磁场结构所占的面积逐渐增大．这一结果可以用来解释飞船为什么能够观测到一类双极磁云,这类磁云前半部分磁场方向与太阳整体偶极场方向相反．为了模拟这一数值结果,强调需要采用包含嵌套闭磁场的冕流背景结构,并在合适的位置触发CME．     

两冕流间CME事件数值模拟的改进

通过偶极子场和六极子场适当叠加，改进猜解磁场，使猜解磁场在太阳南北极符号相反，然后采用理想磁流体力学方程组(MHD)，由猜解磁场与太阳风流动相互作用计算出稳态自洽解，得到定性上与观测比较接近的具有两个冕流的背景结构．在两个冕流间采用具有同心圆磁场位形的触发模型触发CME事件，研究CME的日冕传播特征．模拟结果表明，CME被约束在两冕流间传播，CME闭磁场位形和磁云横截面磁场位形相似，可以解释1AU处观测磁云的部分特征；在CME附近，存在压力和Lorentz力起主要作用的区域，这可以为分析1AU处CME事件的观测数据提供帮助．     

空间尘埃等离子体中尘粒电荷的相关涨落对尘埃磁声波的影响

本文运用自洽的三流体方程组, 考虑了尘埃的充电过程, 得到均匀磁化尘埃等离子体中垂直于磁场传播的尘埃磁声波的色散关系, 结合空间环境讨论了尘埃电荷的相关涨落对尘埃磁声波的影响.      

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。      

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.      

会切磁场推力器低频振荡特性

针对会切磁场推力器的低频振荡特性,将推力器的工作模式分为高电流模式和低电流模式,在此基础上研究了低频振荡随工作参数和磁场位形的变化特性,并针对推力系统外回路对低频振荡的影响进行了研究。结果表明,在高质量流量下,随着放电电压的增加,会切磁场推力器的工作模式从高电流模式转换为低电流模式。在高电流模式下,放电电流具有高振幅、低频率的特征,羽流比较模糊,并且电流振荡幅值随着放电电压增大呈先增大后降低的趋势,而对应的振荡频率随着放电电压的增大而增大。在低电流模式下,放电电流具有低振幅、高频率的特征,羽流有两条明显的亮线,并且电流振荡幅值和频率均随放电电压的增大而增大。在不同工况下,随着质量流量增大,放电电流振荡幅值和频率均呈现增大的趋势。研究还发现,外回路中的电阻和电感对低频振荡起到一定的抑制作用,而电容对低频振荡的影响并不明显。     

太阳风中动力论Alfven波的湍流谱(a)朗道衰减

提出一个太阳风中Alfven脉动湍流的新模式,动力论Alfven波是Alfven波和离子声波非解耦的新波模。由太阳向外传播的各种波长的动力Alfven波的非线性相互作用推导出动力论Alfven脉动湍流功率谱P_k,在Alfven半径以外,P_k∝k-3/2,而在Alfven半径以内,由太阳附近的P_k∝k-1变化成P_k∝k-3/2动力论Alfven脉动在Alfven半径以内完成朗道衰减。新模式克服了以前理论模式遇到的困难。      

Alfvén脉动的控制方程

本文由磁流体力学方程组导出了行星际空间中不可压缩小尺度脉动的控制方程组。对这一组方程的讨论表明,在小振幅极限下,脉动幅度的径向变化可由通常文献中引用的Alfvén波在缓变磁流体介质中传播的WKB解来描述。当脉动幅度与平均磁场强度之比为有限值时,在一般情况下,控制方程中的非线性项不能略去,因而不能用WKB解来描述有限振幅脉动幅度的径向变化。这一结论可以解释为什么在0.3—0.9AU实测Alfvén脉动振幅和谱的变化与WKB解不一致。在这组控制方程的基础上提出了一个定性的模式。将Alfvén脉动看作主要由许多具有不同波矢k的向外传播的有限振幅的Alfvén模式组成。它们在传播过程中将产生一级小量的波动。零级量与一级量的非线性相互作用使波能向高频区串级。零级量波动振幅的变化不仅受到太阳风慢变化的影响,而且受到这一非线性相互作用的影响。这一模式可以定性解释主要的Alfvén脉动的观测事实。      

太阳风中动力论Alfven波湍流谱(b)二次激发

根据行星际Alfven湍流是由动力论Alfven波集合形成的模型理论。将行星际Alfven湍流分为三个区域:湍流耗散区、二次激发区和湍流惯性区。并对各区湍流谱的特性分别给出解释。由动力论Alfven波的二次激发和衰减,解释了太阳风高速流质子温度高于电子的事实。      

Sources and losses of ring current ions: An update

The cleft ion fountain has been identified as a prodigious source of upflowing suprathermal ionospheric plasma. Modeling efforts have traced the path of these ions from the polar ionosphere along trajectories where the ions are energized to keV energies and deposited in the near earth plasma sheet. Mass and energy dispersion of these ions accounts in a natural way for the observed variation in heavy ion content of the plasma sheet. Observations of ion composition in the plasma sheet by the AMPTE and ISEE spacecraft establish that ionospheric ions dominate in the near earth plasma sheet but solar wind ions become significant tailward. The heavy ion content of the plasma sheet increases with both solar cycle and magnetic activity. Direct injection of ionospheric ions into the ring current has been observed in the outer plasmasphere. Several mechanisms for the direct injection of ions from the plasmasphere and ionosphere into the ring current have appeared. Estimation of ionospheric source strengths and residence times have led to an estimate of the magnetospheric densities that would result solely from an ionospheric outflow populating the magnetosphere. Estimated densities were quite reasonable even without inclusion of a solar wind source of ions. Ring current ions decay primarily via charge exchange with the hydrogen geocorona, however, the roles of pitch angle diffusion and Coulomb collisions in this decay process are being clarified.

Modeling and observations of ENA by the 1SEE1 spacecraft has led to a re-affirmation of the dominant role of charge exchange in ring current decay. Ion cyclotron waves contribute to ring current decay in the dusk bulge region. The role of low frequency. (< 1 Hz) ion cyclotron waves in the plasmasphere is still unclear. Other wave modes may be responsible for the pitch angle diffusion and subsequent loss of ring current ions. Coulomb collisional energy losses from ring current O⁺ to thermal electrons are sufficient to power SAR arcs and represent an energy sink for ring current O⁺ within the plasmasphere. Coulomb collisions may be important for decay of low energy (< 10 KeV) ring current ions in the plasmasphere.     

磁场强度对日冕定态结构的影响

以二维ＭＨＤ模型及时变方法为基础,内外边界完整的设影特征线边界条件,考察了太阳日冕大气的定态结构随偶极场强度的变化情况。模拟结果表明：随着偶极场强度的增加,磁场对太阳风的约束增强,低纬闭磁场打开程度减少,高纬与低纬区速度差增加,并且在阿尔文马赫数为１的点附近达到最大,速度过度区变陡;随着日心距离增加,低纬区宽度减小,速度过渡区变陡,可定性解释Ｕｌｙｓｓｅｓ飞船的新观测事实。     

二维磁流体动力学平衡日冕(Ⅱ)

基于解析和数值相结合的方法,进一步讨论了非均匀引力场中日冕的二维磁流体动力学平衡。对临界点进行了比较仔细的处理。得到了包含闭场区、中性片和开场区的大尺度日冕磁场位形,闭场区和中性片构成冕流结构。在高纬和低纬地区几个太阳半径之外,等离子体径向流动速度超过了局地声速和局地Alfvén速度。在1AU处,太阳风速度可达到400kms_-1以上      

North-south asymmetries of the solar magnetic field in conjunction with the location of the heliospheric current sheet on both sides of the solar equator

Reported heliospheric current-sheet displacements from the equatorial plane have been found to be in agreement with north-south asymmetries of the solar magnetic field. Mean heliospheric sector width estimations in the period 1947–1977 have shown that the heliospheric current sheet demonstrates an asymmetric placement with respect to the solar equator. This asymmetry is very prominent in the epochs of the solar cycle minima while it almost disappears in the epochs of maxima. At the same time, the sums of the maxima values of the sunspot magnetic field intensity showed in the epochs of minimum a characteristic asymmetry which implies an essential conjunction among the heliospheric current sheet, the solar cycle and the solar magnetic field. The main conclusion which could be derived of these observations is that the heliospheric current sheet has its origin on the solar surface while its location with respect to the solar equator appears to be affected by the variability of the lower layers of the solar interior.     

太阳风中的动力论Alfven激波

本文指出因动力论Alfven波的存在非线性作用，从而能引起波连续陡化;这种情况下考虑频散效应，理论上应该形成中间激波.针对这一物理思想，在二元流体模型下，引进离子声反常阻尼，数值解出中间激波的结构.     

The radiation impedance of electrodynamic tethers in a polar Jovian orbit

Juno, the second mission in the NASA New Frontiers Program, will both be a polar Jovian orbiter, and use solar arrays for power, moving away from previous use of radioisotope power systems (RPSs) in spite of the weak solar light reaching Jupiter. The power generation at Jupiter is critical, and a conductive tether could be an alternative source of power. A current-carrying tether orbiting in a magnetized ionosphere/plasmasphere will radiate waves. A magnitude of interest for both power generation and signal emission is the wave impedance. Jupiter has the strongest magnetic field in the Solar Planetary System and its plasma density is low everywhere. This leads to an electron plasma frequency smaller than the electron cyclotron frequency, and a high Alfven velocity. Unlike the low Earth orbit (LEO) case, the electron skin depth and the characteristic size of plasma contactors affect the Alfven impedance.