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。      

磁层顶的Kelvin-Helmholtz不稳定性(III)可压缩不稳定波的能量和动量输运

本文在假定磁层顶为切向间断面的近似下分析了可压缩K-H不稳定波在磁层顶两侧的能量分配及能量和动量输运,讨论了相应的物理机制.计算表明,K-H不稳定性确实能在太阳风-磁层耦合中起重要作用.      

磁层顶边界区剪切流MHD不稳定性的数值模拟研究 III.大振幅MHD波

本文用MHD二维不可压模式, 对Kelvin-Helmholtz不稳定性激发的非线性波动进行数值模拟.指出:K-H波动有两个吸引子:(1)定常吸引子;(2)周期吸引子.在Alfvén马赫数M_A>8时, 波动长时间发展渐近于定常态;在M_A<8时, 波动渐近于周期吸引子.在磁层顶K-H波动中, 一般M_A<8, 波动幅度呈周期变化形态, 即包络孤立子形态.本文还讨论了磁场-磁层顶K-H不稳定性中的作用, 指出:磁场可大大加强从磁鞘向磁层顶的动量输运.      

磁层顶旋转间断的稳定性

本文应用三层模式和ISEE卫星观测资料,讨论了磁层顶旋转间断的稳定性。结果表明:(1)在磁层顶旋转间断中可以激发一种不稳定性。随着波数k增大,不稳定性增长率也将增加。(2)当行星际磁场为北向时,磁层顶旋转间断是稳定的;当行星际磁场逐渐变为南向时,不稳定性增长率将迅速增加。(3)当太阳风速度较大时,不稳定性增长率相应地也较大。(4)当行星际磁场为南向时,随着行星际磁场与磁层顶切平面交角的增大,不稳定性的增长率也迅速增加。      

行星际起伏向磁层顶的输运

时间尺度为分钟数量级的太阳风速度和行星际磁场大幅度扰动实际上始终存在于行星际空间的。这些扰动一直传输到紧贴磁层边界面外侧的区域。它们在磁鞘等离子体和磁层顶的相互作用过程中可能起很重要的作用。行星际起伏中的磁场分量在通过地球弓激波时首先经历一次跳跃,然后一部分扰动被带到磁层边界面处。在边界面附近磁场扰动幅度被大大地放大了。弓激波上游的太阳风条件控制了放大因子。本文所作的数值模拟研究结果表明,如果上游有大幅度的扰动,在边界面附近就有大幅度的Alfven起伏的磁场分量。当上游磁场接近垂直于日地联线时,放大因子变得相当大,而且放大因子随上游的等离子体β值和/或Alfven马赫数的增加而增加。上游各向异性对放大因子的影响不大。在磁层边界附近存在大幅度起伏表明这里不存在稳定的片流。      

有限β等离子体中密度和磁场不均匀驱动的动理学Alfven波

在分析有限β等离子体中的密度、磁场不均匀引起的漂移波不稳定性的基础上，剖析了漂移波不稳定性对动理学Alfven波激发的作用．动理学理论能正确地处理有限拉莫半径效应和波粒共振相互作用，本文根据带电粒子在电磁场中的运动特性，采用Vlasov方程描述离子运动，运用漂移动理学方程对电子运动进行描述．密度不均匀和磁场不均匀对产生漂移不稳定性的对比分析表明：在有限β等离子体中，密度不均匀比磁场不均匀更易激发漂移不稳定性，且密度不均匀激发漂移不稳定性中的能量转换和转移更为强烈．这种能量的转换为动理学Alfven波的激发提供了物理基础．所得数值解表明：动理学Alfven波在磁层中能广泛地被激发产生，特别是在磁层空间的极尖区、磁层顶和等离子体片边界层等具有明显的不均匀性区域中更容易被激发产生．本文的研究结果进一步表明动理学Alfven波对磁层空间中能量传输具有重要作用．     

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。      

1994年2月21日行星际激波引起的磁暴

利用Imp-8,Geotail和Goes-6等卫星资料,研究了1994年2月21日0900UT到达地球磁层的行星际激波引起的磁暴期间,从太阳风向磁层传输能量的有关问题.结果指出:（1）南向行星际磁场（IMF）的长持续时间不是太阳风向磁层输能的必要条件.南北振荡的,较强IMF也能产生显著的能量传输;（2）行星际扰动磁场通过弓激波和磁层顶后扰动磁能增加,增幅将近5倍;（3）在磁层内扰动磁场的Bz分量在1×10-4Hz附近显著被吸收.这一低频扰动磁场可能是磁暴期间导致氧离子和质子等环电流粒子向内扩散并被加速的原因之一.     

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。     

关于行星际磁场螺旋扇形过渡区稳定性的分析

本文利用四层模式,讨论了ME型行星际磁场螺旋扇形过渡区的稳定性。结果表明:(1)ME型过渡区中可以激发三种大尺度波动,且三种波动都存在低频截止;(2)随着波数k增大,不稳定性的增长率都有上升的趋势,但其中A型波动的增长率存在一个极大值和一个极小值;(3)当k与扇形区中太阳风速度V_q呈平行或反平行时,波动最易被激发;随着k与V_q之间夹角变大,截止波长逐渐向短波段移动;当k与V_q相垂直时,波动则不能被激发;(4)当k与V_q夹角呈75°时,可以激发波长为5×104km、相速为340 km/s的波动,这与Voyager 1飞船在磁层顶处的观测结果相一致。由此推断,螺旋扇形过渡区中激发的波动可能是导致磁层顶K-H不稳定性的一种扰动源。      

从属函数在地磁扰动预报研究中的初步应用

根据1966-1982年期间有关太阳耀斑、行星际激波和地磁扰动的观测资料而建立的从属函数,对1984-1985年间的行星际闪烁观测中能证认出的耀斑-激波所引起的地磁扰动作了预报试验。结果表明:(1)磁扰开始时间预报的相对误差,δT/T≤10%的事件数为20个,占总事件数的50%,δT/T≤20%的事件占总事件数的70%以上;(2)磁扰幅度(ΣKp)大小的预报,其相对误差δΣKp/ΣKp≤30%的事件数为32个,占总事件数的80%,而δΣKp/ΣKp≥60%仅占15%.本文方法显示了一定潜力,有待从聚类分析方面进一步深入。      

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.     

The effect of the longitudinal propagating waves on the electron acceleration in the reconnecting current sheet

Based upon the most efficient electron acceleration near the midplane of 3D non-neutral driven reconnecting current sheet (RCS) and the electrostatic wave excitation by the drift Maxwellian distribution of electrons in Vlasov simulation, we assume that the electrostatic waves mainly propagate opposite to the reconnecting electric field and investigated how these waves affect the electron acceleration. The main results are: (1) when the electron’s velocity equals to the phase speed of the waves, they will be trapped and have the different accelerating characteristics from the untrapped electrons through solving the momentum equations of electrons analytically; (2) the test particle simulations further prove that the number of the energetic electrons decreases with the increasing intensity of unstable waves, and the distribution of the energetic electrons takes on the double power-law.     

Active stimulation of the ionospheric plasma

Laboratory experiments in which high power, pulsed electromagnetic waves interact with an inhomogeneous plasma indicate that the generated nonlinear plasma phenomena depend on peak incident power and not on pulse length. The electromagnetic waves can penetrate beyond the cutoff and produce large, enhanced electrostatic fields at the critical layer within 100 electron plasma periods. The enhanced electric field pressure can be comparable to the thermal pressure and can accelerate ions and electrons to velocities much greater than their thermal speed. Large density cavities (with δn/n ? 10%) can be created in a time shorter than the usual ion response time because of the accelerated ion dynamics. These laboratory results have been extended to create a new and generalized concept to actively stimulate space plasmas with high power pulses of short duration. A field experiment will be used for the stimulation of auroral ionospheric plasma. The ground-based system is modular, each module consisting of a 2 MW pulsed HF transmitter designed at UCLA and a crossed-dipole antenna element. Incoherent scatter radar and optical diagnostic methods are discussed.     

Determination of the Kelvin-Helmholtz Wave Parameters on the Magnetopause in Single-spacecraft Observations

Kelvin-Helmholtz (K-H) waves are formed from the triggeringof the K-H instability on the magnetopause, which is a candidatemechanism for solar wind entry into the magnetosphere, especially undernorthward interplanetary magnetic field conditions. In this study, aK-H wave event was identified from the observation of probe Bof the Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms (THEMIS) mission on 15 May 2008. A new method to determinethe wave parameters of the K-H waves in single-spacecraft observationsis proposed. The dominant wave period is determined by three kinds ofspectrograms for three key parameters, namely the ion density, the iontemperature, and the z component of magnetic field. The phasevelocity is estimated by calculating the center-of-mass velocity of thedetected K-H vortex region. This approximation is validated bycomparison with other alternative methods. The method to determine thewave parameters is a first step to further study K-H wave properties and their relationship with interplanetaryconditions.      

MD型行星际磁场螺旋扇形过渡区中的不稳定性

本文采用六层模式, 讨论了MD型行星际磁场螺旋扇形过渡区的稳定性.结果表明, MD型过渡区仍然是不稳定的, 在MD型过渡区中仍可激发大尺度波动.文中还讨论了MD型和ME型过渡区稳定性的差异.      

Boundary-layer analysis for the convection/diffusion transition in dendritic growth

Earlier ground-based studies have shown that a sharp transition occurs in the dominant mode of heat transport during dendritic solidifcation. Specifically, convective heat transport dominates below the transition supercooling and diffusive heat transport dominates above. Thus the influence of gravitational acceleration on dendritic crystallization depends critically on the overall thermodynamic driving force. Since many practical solidification processes occur at relatively small supercoolings, understanding the nature of the transition in transport mode is essential for both terrestrial and space processing. A boundary-layer analysis has been carried out wherein the diffusion boundary-layer thickness (Stefan length) is compared with the thermal boundary layer thickness determined from the fluid mechanics of natural convection. Our analysis shows that the Stefan length δ_S decreases rapidly with supercooling (ΔT^?2.5) whereas the thermal boundary layer thickness δ_T decreases slowly (ΔT^?.25). The transition supercooling at which the transport mode switches from convective to diffusive occurs where δ_T = δ_S. The influence of gravitational acceleration, and the thermo-physical properties of the molten phase will be discussed, along with avenues for conducting future research.     

无碰撞电流片哨声波不稳定性

通过数值求解文献[4]中物理模型A得到的一般形式的色散关系,讨论了无碰撞电流片低频波不稳定性问题.结果表明,哨声波能被无碰撞电流片直接激发.在中性片上(z/di=0),在较宽的波数范围内,斜哨声波是可以传播的,但它基本上是稳定的.在离子惯性区内(z/di<1,电子惯性区外),斜传播的哨声波是不稳定的.在离子惯性区边缘(z/di=1),斜传播的哨声波仍然是不稳定的,增长率更大,不稳定的波频率范围更高.此外,朝向中性片方向传播(kzdi<0)的哨声波比离开中性片方向传播(kzdi>0)的哨声波有更大的增长率.     

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。