磁层氧离子向磁鞘泄漏的机制和效应

１９９７年 １月 １０日磁暴期间, Ｇｅｏｔａｉｌ卫星在向阳侧的磁鞘中观测到了磁层氧离子突增事件．这些氧离子的出现和磁鞘中存在很强的南向行星际磁场有关．事件期间向阳面发生了准静态的磁重联,氧离子流存在由北向南的速度分量．通量突增过程具有逆向和正向能量色散现象,磁层内部只有氧离子有可能被梯度漂移输送到重联区,所以只有氧离子在磁鞘中持续地被观测到．估计氧离子的逃逸速率为 ０．６１× １０２３／ｓ,大约为环电流氧离子输入率的 ３３％．大量的环电流氧离子由磁层跑到了磁鞘,导致环电流指数 ＡＳＹ－Ｈ呈现明显的非对称性．     

基于能量色散特征计算磁层顶重联位置的方法研究

磁层顶磁场重联是太阳风向磁层输入能量的主要方式.重联如何触发一直是空间物理研究的难点,其机制仍然有待深入研究.由于卫星穿越磁层顶时,很难恰好穿越重联发生的区域,因此难以观测到重联的触发条件.本文利用THEMIS卫星观测,确立了反演磁层顶重联点的方法.当重联刚开始发生时,卫星能够观测到离子的能量色散特征,可利用其计算卫星到重联发生位置的距离.沿着磁力线模型追踪该距离即可反演出磁层顶发生重联的位置.与其他方法进行了对比分析,结果显示本文方法比其他方法具有更高的精度.     

高纬磁层顶尾部边界层的离子流剪切不稳定性

研究了高纬磁层顶层部边界层在非均匀磁场条件下的离子流剪切不稳定性,由于考虑了尾向电流,我们发现离子流剪切不稳定性的激发与扰动波长有关,并得到了激发该不稳定性的准临界波长的表达式,对于磁层顶存在的波长为地球半径量级的表面波扰动,离子流剪切不稳定性倾向于发生在磁层顶边界层的内边界,沿磁层顶外边界传播的稳定的表面波和其内边界的离子流剪切不稳定性同时存在,这将有助于解释磁鞘太阳与动量持续不断地向地磁层的传输。     

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。     

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.     

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.     

行星际磁场与磁尾磁通量绳形成的关系

收集了Cluster卫星在2001-2005年间观测到的磁尾磁通量绳事件,并对磁通量绳(magnetic flux rope)形成及其内部磁场结构与行星际磁场(IMF)的关系作了统计研究.考虑磁通量绳被观测到时行星际磁场的条件,在所有73个磁通量绳事件中,行星际磁场By分量占有主导地位的事件有80%,且78%的事件具有与行星际磁场By分量相同方向的核心场.行星际磁场通过在磁层顶与地球磁场相互作用改变南北等离子体片内磁场相对方向,形成有利于磁通量绳形成的磁场位形,并且行星际磁场By分量的方向对磁通量绳内部核心场的方向具有决定性影响.从统计结果来看,磁通量绳的形成并不会依赖于行星际磁场Bz分量的方向.     

磁鞘快速流引起的磁层顶凹陷事件

最近研究表叽磁层顶凹陷对磁层-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THEMIS 5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10:00UT-10:45UT,位于日下点磁层顶附近的THEMIS卫星...     

磁层顶剪切磁流体非线性性态的谱截断法研究Ⅰ.流场扰动对磁场的作用

本文用谱截断方法研究了磁层顶剪切磁流体的非线性性态。结果表明:流场扰动会使系统出现剪切不稳定(K-H不稳定)性;系统具有对初值的敏感性,这是导致湍动而使磁层顶动力学性态难以预测的根本原因;流场粘性及流场与磁场的相互作用使能量与动量在流场与磁场中转化和传输;外界能流通过粘性与耦合作用可周而复始地在系统中传递。     

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.     

电子重联中电磁场结构的粒子模拟

采用2.5D全粒子模拟程序研究了强引导场情况下的电子重联, 分析了重联率最大时刻霍尔磁场、霍尔电场及电子流速的空间分布特征. 重联率最大时刻, 观察到分离线两侧的电子入流及出流, 并且有四极霍尔磁场生成. 与早期标准重联的研究结果不同, 霍尔磁场并未在引导场的作用下发生明显扭曲. 同时分离线区域发生电荷分离, 并生成近似对称分布的霍尔电场. 此外, 研究了电子流速空间分布的时间演化. 在重联前期, 电子主要沿磁力线流动, 即 $ boldsymbol{v}_{{mathrm{e}}}approx v_{mathrm{e}y}boldsymbol{B}/B_y $; 在重联后期, 电子运动由电场漂移所主导, 即 $ boldsymbol{v}_{{mathrm{e}}}approxboldsymbol{E}timesleft(B_yboldsymbol{e}_{{{y}}}right)/B_y^2 $. 模拟结果表明, 电子重联中可以发生极强的电荷分离, 生成近似对称分布的霍尔电场. 在引导场下, 这种霍尔电场将导致电子的电场漂移, 并主导电子流速的面内空间分布, 进而生成近似对称分布的霍尔电流和四极霍尔磁场.     

Scientific visualization to study Flux Transfer Events at the Community Coordinated Modeling Center

In this paper we present recent additions to the visualization toolset offered by the Community Coordinated Modeling Center (CCMC). Two suites of visualization tools are available that can address different needs during the analysis of model simulations of the magnetosphere that are provided by the CCMC. The online, server-side visualization allows the user to quickly browse through simulation runs and now can create maps of magnetic field line topology in the magnetosphere. The second tool, SWX, can be used on the client computer after data have been downloaded. With this second tool the user can interact directly with the three-dimensional objects that are being rendered. We present results from a simulation of a Flux Transfer Event that was performed at the CCMC using a magnetohydrodynamic model of the Earth’s magnetosphere with a high resolution grid focused on the dayside magnetosheath and dayside magnetopause. The simulation shows that the FTE that results from localized magnetic reconnection is a complicated three-dimensional structure that requires modern visualization techniques. Visualization techniques that are presented here allow the researcher to fully appreciate the complexity contained in magnetospheric simulation results.     

Theoretical model of steady-state magnetic reconnection in collisionless incompressible plasma based on the Grad–Shafranov equation solution

The problem of steady-state magnetic reconnection in an infinite current layer in collisionless, incompressible, nonresistive plasma, except of the electron diffusion region, is examined analytically using the electron Hall magnetohydrodynamics approach. It is found that this approach allows reducing the problem to the magnetic field potential finding, while last one has to satisfy the Grad–Shafranov equation. The obtained solution demonstrates all essential Hall reconnection features, namely proton acceleration up to Alfvén velocities, the forming of Hall current systems and the magnetic field structure expected. It turns out that the necessary condition of steady-state reconnection to exist is an electric field potential jump across the electron diffusion region and the separatrices. Besides, the powerful mechanism of electron acceleration in X-line direction is required. It must accelerate electrons up to the electron Alfvén velocity inside the diffusion region and on the separatrixes. This is a necessary condition for steady-state reconnection as well.     

磁场重联中的哨声波与Hall效应

数值研究Hall电流效应对于重联动力学特征及波动特性的影响.结果表明,具有强Hall效应的算例,重联出流区张角大,重联率高.对于不同Hall效应的算例,应用快速傅里叶变换(FFT),将平面外磁场By分量和(x,z)平面内的速度分量vx,vz位于给定点的时间序列转换为功率谱,并对电场E采用最小方差分析法,确定波的传播方向与偏振特性.研究发现,在强Hall效应的算例中,磁分界线附近存在具有典型特征的哨声波,Hall效应减弱,则波动信号减弱.上述结果表明,Hall电流效应对重联动力学特征具有重要影响,是产生哨声波和快速重联率的关键因素;此外,对于强Hall效应的算例,磁分界线附近哨声波幅度与平面内场向电流Jp间存在正相关关系,它从另一个侧面展示了哨声波与Hall效应间的重要联系.     

电流片的自发重联与无力场──磁岛的形成

采用二维三分量磁流体力学数值模拟方法,研究了线性无力场对电流片的自发重联的影响。结果表明:电流片的背景场(无力场)对重联的拓扑位形有重要的影响,当无力场因子达到一定值时,在模拟区域内出现大范围的磁岛,磁岛厚度随时间的发展而增加,而无力场因子较小时则没有磁岛形成。当无力场因子为零时,即回到普通的位场情形的单x线重联,位场情形磁场拓扑位形与Scholar的结果一致。     

Hall MHD reconnection with an initial guide field By0

An uniform out-of-plane magnetic field component B_y0 is added to the equilibrium Harris sheet with plasma β = 0.5 and L_c = 0.5d_i (where L_c is the half-width of the equilibrium current layer and d_i is the ion inertial length). Driven by the continuous boundary inflows, the magnetic reconnections with the guide field B_y0/B₀ ranging from 0 to 4.0 are investigated using a 2.5D Hall magnetohydro-dynamic (MHD) code developed from a multi-step implicit scheme. The features of the reconnection field are substantially altered in the presence of the guide field. The openness of the magnetic separatrix angle is slightly reduced and the anti-symmetric quadrupolar structure of B_y field and the symmetric distribution of plasma pressure P are replaced by an asymmetric B_y four-wing structure and an asymmetric P plot as a non-zero B_y0 is added. The decoupling of electrons and ions also occurs near the X line in the case with a finite B_y0, but the effect of initial B_y0 on the electron flow is greater than that on the ion flow. The reconnection rates at the X-line drops from 0.151 to 0.06, namely, ∂A/∂t is reduced by a factor of 2.5 as B_y0/B₀ increases from 0 to 4.0. The reduction of reconnection rate might be related to the reducing openness of reconnection layer with the increasing B_y0.