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.     

午后极光强度与太阳风-磁层耦合函数的相关

利用1997年和1998年南极中山站多通道扫描光度计的地面观测数据和Wind卫星在弓激波上游对行星际磁场和太阳风参数的观测数据,对午后高纬极光强度与太阳风-磁层耦合函数之间的相关性进行定量研究.研究表明,午后630.0nm极光强度与太阳风-磁层耦合函数间有很好的相关,而557.7nm的相关性差一些;在考察的所有耦合函数中,午后极光受太阳风电场和能量的影响更直接;同时,行星际磁场的时钟角对午后极光也有很强的控制作用.      

关于IMF北向分量特强时的太阳风－磁层－电离层耦合

关于ＩＭＦ北向分量特强时的太阳风－磁层－电离层耦合沈长寿，资民筠（北京大学地球物理系，１００８７１）（中国艺术研究院，北京）关键词行星际磁场，太阳风－磁层能量耦合函数为检验Ａｋａｓｏｆｕ提出的能量融合函数“’在ＢＺ强北向时能否反映太阳风与磁层扰动间的...     

行星际磁场北向分量触发磁层扰动的可能性

本文用典型事件和统计分析论证了行星际磁场北向分量触发地磁扰动的可能性.给出了行星际电场E_y分量对磁层大尺度对流电场E_M的耦合系数.从耦合方程出发讨论了磁层对太阳风作用的响应,证明磁层不是起半波整流器作用,从而表明经典的重联理论应有所修改.      

行星际电场与Dst指数

利用ACE卫星的太阳风及行星际磁场观测数据和相应时期的Dst指数，分析了行星际电场的Dst指数的相关关系，讨论了行星际电场作为研究磁层和太阳风相互作用的良好参数的物理机制。结果表明：行星际电场与Dst指数有很好的相关性，并且在强和中等地磁活动基间，存在显著的突变特征曲线；相对于V、V^2Bz、VB^2和ε，行星际电场的突变特征曲线更易识别；弱的扰动磁层背景状况和行星际磁场南向分量及电场晨昏分量的较大波动影响着磁暴的发展，使磁暴主相有多个发展阶段，从而增加磁暴的强度；对主相有多个发展阶段磁暴的研究有待进一步改善。     

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.      

磁鞘等离子体密度统计建模

利用理想磁流体LFM模型的模拟数据,基于非参数统计方法对2004年11月14日03:00UT-07:00UT磁暴恢复相期间磁鞘等离子体平均密度进行建模.分析磁鞘等离子体平均密度与上游太阳风参数、行星际磁场参数及地磁扰动参数的统计关系,建立基于数据降维的经验模型.结果表明,电离层扰动强度因子、太阳风-磁层耦合强度因子和日地空间因果链耦合强度因子是影响磁鞘等离子体平均密度的三个主要方面.磁暴恢复相期间电离层上行离子是磁层环电流和磁尾等离子体的重要离子来源.建模分析过程表明,利用经验模型对空间物理过程开展建模,数据的严重多重共线性通常会导致模型的精度较差.而利用SIR和LPR建立的磁鞘等离子体平均密度随相关参数变化的经验模型可以有效解决该问题,具有较好的预测精度,统计特征显著.      

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.      

火星空间磁场结构特征

在火星空间模拟的单流体MHD模型的基础上, 研究了火星空间磁场结构及火星表面局部磁异常对磁场结构的影响. 在太阳风与火星相互作用的过程中, 形成弓激波和磁堆积区, 行星际磁场弯曲并向两极移动且被拖拽变形, 大部分磁力线从火星两极绕过, 通过火星之后在磁尾留下V字形结构. 火星表面附近局部磁异常也对火星磁场结构产生不可忽视的影响. 不同位置和强度的磁异常与太阳风相互作用形成结构及形态各异的微磁层, 如被拖拽的微磁层和存在开磁力线的微磁层等. 局部磁异常改变了近火磁场结构, 并可能改变等离子体的分布.      

ICME期间磁暴的太阳风参数和极光沉降能量

基于1995-2004年ICME驱动的强烈磁暴(SA型)、强磁暴(SB型)和延迟型主相暴(SC型)三种磁暴类型,对1AU处太阳风动压、太阳风速度、行星际磁场、EK-L电场以及极光沉降能量进行时序叠加分析,并分别与-vBz耦合函数和Newell耦合函数进行对比.结果表明,三种磁暴在ICME到达前期的太阳风动压较稳定,背景太阳风、极光沉降能量、行星际磁场和磁层存在相对平静期. ICME到达前期SA型磁暴的背景太阳风速度、行星际磁场南向分量以及极光沉降能量的均值高于另外两种磁暴类型,这说明大型日冕物质抛射在ICME到达前就对行星际磁场、背景太阳风和HP产生了影响.磁暴急始后,SC型磁暴的EK-L电场斜率小,峰值延后且行星际磁场北向分量增强,这些都是磁暴主相延迟的表现,极光沉降能量随着行星际磁场转为南向而增加.     

太阳风状态参数的变化对地球磁鞘中磁场起伏特性的影响

本文利用MHD激波跳跃条件的精确解,具体讨论了行星际背景太阳风状态参数Alfvén马赫数M₁、等离子体β₁参数和磁场角θ₁的变化对地球磁鞘区中磁场起伏特性及其分布的影响.主要结果是:马赫数M₁的变化主要控制磁场起伏特性:放大倍数、相对起伏和各向异性程度的水准高低.磁场角θ₁的变化控制磁场起伏的空间分布特性.等离子体β₁参数的变化,不引起磁场起伏特性的明显变化(对于实际经常发生的情况M₁ 8而言).M₁、θ₁是强控制参数,而β₁是弱控制参数;磁鞘区磁场起伏对太阳风状态参数的变化响应呈现明显的晨-昏不对称性(行星际磁场位于黄道面时),响应主要发生在晨侧.晨侧的磁场起伏(或湍动)相当活跃,而昏侧相当稳定;磁鞘中不同地点磁场起伏特性对太阳风状态参数M₁、β₁的变化响应有大致相同的形式,而对其磁场角度θ₁的变化却有迥然不同的形式.      

Plasma flow variations and energetic protons upstream of the earth’s bow shock: A statistical study

Foreshock is a special region located upstream of the Earth’s bow shock characterized by the presence of various plasma waves and fluctuations caused by the interaction of the solar wind plasma with particles reflected from the bow shock or escaping from the magnetosphere. On the other hand, foreshock fluctuations may modify the bow shock structure and, being carried through the magnetosheath, influence the magnetopause. During the years 1995–2000, the INTERBALL-1 satellite made over 10,000 hours of plasma and energetic particles measurements in the solar wind upstream of the Earth’s bow shock. We have sorted intervals according to the level of solar wind ion flux fluctuations and/or according to the flux of back-streaming energetic protons. An analysis of connection between a level of ion flux fluctuations and fluxes of high-energy protons and their relation to the IMF orientation is presented.     

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.     

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。      

Fluctuations of cosmic rays and IMF in the vicinity of interplanetary shocks

Fluctuations of cosmic rays and interplanetary magnetic field upstream of interplanetary shocks are studied using data of ground-based polar neutron monitors as well as measurements of energetic particles and solar wind plasma parameters aboard the ACE spacecraft. It is shown that coherent cosmic ray fluctuations in the energy range from 10 keV to 1 GeV are often observed at the Earth’s orbit before the arrival of interplanetary shocks. This corresponds to an increase of solar wind turbulence level by more than the order of magnitude upstream of the shock. We suggest a scenario where the cosmic ray fluctuation spectrum is modulated by fast magnetosonic waves generated by flux of low-energy cosmic rays which are reflected and/or accelerated by an interplanetary shock.     

The response of the Hermean magnetosphere to the interplanetary magnetic field

The interaction between the solar wind and Mercury is anticipated to be unique because of Mercury’s relatively weak intrinsic magnetic field and tenuous neutral exosphere. In this paper the role of the IMF in determining the structure of the Hermean magnetosphere is studied using a new self-consistent three-dimensional quasi-neutral hybrid model. A comparison between a pure northward and southward IMF shows that the general morphology of the magnetic field, the position and shape of the bow shock and the magnetopause as well as the density and velocity of the solar wind in the magnetosheath and in the magnetosphere are quite similar in these two IMF situations. A Parker spiral IMF case, instead, produces a magnetosphere with a substantial north–south asymmetric plasma and magnetic field configuration. In general, this study illustrates quantitatively the role of IMF when the solar wind interacts with a weakly magnetised planetary body.     

磁扰日向阳面对流电场转向区位置的晨昏不对称性(STARE、TRIAD、AE-C观测综合分析)

本文通过STARE观测的晨不连续性及其与TRIAD观测的场向电流分界区、AE-C卫星观测的电场转向区位置的比较,提出了在高扰日向阳面对流电场转向区位置存在着晨不对称性——晨半面所处纬度低于昏半面.该现象间接说明向阳面磁层边界层也存在某种不对称性.并在观测基础上对可造成该不对称性的物理因子进行了探讨,认为行星际磁场螺线结构对重连区位置的影响及其产生的激波结构的晨昏不对称性很可能与本文中讨论的现象有一定联系.      

Bow shock: Power aspects

It is clear that the primary energy source for magnetospheric processes is the solar wind, but the process of energy transfer from the solar wind into the magnetosphere, or rather, to convecting magnetospheric plasma, appears to be rather complicated. Bow shock is a powerful transformer of the solar wind kinetic energy into the gas dynamic and electromagnetic energy. A jump of the magnetic field tangential component at front crossing means that the front carries an electric current. The solar wind kinetic energy partly transforms to gas kinetic and electromagnetic energy during its passage through the bow shock front. The transition layer (magnetosheath) can use part of this energy for accelerating of plasma, but can conversely spend part its kinetic energy on the electric power generation, which afterwards may be used by the magnetosphere. Thereby, transition layer can be both consumer (sink) and generator (source) of electric power depending upon special conditions. The direction of the current behind the bow shock front depends on the sign of the IMF Bz-component. It is this electric current which sets convection of plasma in motion.     

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.      

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.