太阳风向磁层输入电磁能量研究

利用全球磁流体力学（MHD）模拟结果,通过确立包含磁层顶的太阳风流线内边界来识别三维磁层顶位形,并以极尖区位置作为磁层顶日侧与夜侧的分界线,在此基础上定量研究了不同条件下穿过磁层顶向磁层内输入的电磁能量. 研究发现,磁层顶的能量传输与太阳风条件密切相关,磁重联是控制电磁能量传输的重要机制. 结果表明,当IMF（行星际磁场）南向时,极尖区后方的磁尾附近存在电磁能输入最大值,当IMF北向时,电磁能输入最大值发生在极尖区附近;南向IMF条件下,在IMF强度增大或太阳风密度增大时,磁层顶电磁能传输的电磁能量比北向IMF条件时增加更显著. 太阳风通过调节磁层顶面积间接影响到磁层顶能量传输大小. 研究还发现,北向IMF与南向IMF条件下穿过磁层顶的电磁能输入的比值范围约为10%～30%,此比值一定程度上反映了北、南方向IMF与地磁场磁重联效率的比值.      

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。      

地球磁层亚暴统计分析

利用AL和AE指数对第24个太阳活动周发生的亚暴事件进行统计分析.主要统计了关于磁层亚暴的强度，亚暴初值与恢复值的关系，亚暴持续时间，亚暴恢复相与增长相（包括膨胀相）持续时间的关系等.统计结果表明:在第24个太阳活动周中2008-2016年发生的亚暴事件大部分比较剧烈，其峰值大都在200～1200nT；初值和恢复值大都在30～100nT，并且事件占比符合正态分布；大部分亚暴都能恢复到亚暴初值60nT以内，并且差值越小，事件的占比越大.大部分亚暴的持续时间较长，在100～400min之间，其中增长相（包括膨胀相）持续时间均在120min以内，并且持续时间越长，其事件占比越小；大部分亚暴事件的恢复相持续时间在60～300min之间，并且呈现出正态分布特征.绝大多数亚暴事件的恢复相持续时间为增长相持续时间的10倍以下，其中约一半亚暴事件的恢复相持续时间为增长相持续时间的1～4倍.这说明亚暴的能量聚集速度约为能量释放速度的1～4倍.      

极端太阳风条件下的磁层顶位形

基于极端太阳风条件下的三维MHD数值模拟数据, 构建了一种极端太阳风条件下的三维非对称磁层顶位形模型. 所提出的模型考虑了行星际南向磁场(IMF) B_z日下点距离侵蚀的饱和效应, 太阳风动压B_d对磁层顶张角影响的饱和效应, 赤道面、昼夜子午面磁层顶的不对称性以及极尖区的内凹结构和内凹中心的移动, 并利用Levenberg-Marquart多参量非线性拟合方法拟合了模型参数. 数值模拟研究表明, 在极端太阳风条件下, 随B_d增大, 磁层顶日下点距离减小, 磁层顶磁尾张角几乎不变; 随南向(IMF)B_z增大, 磁层顶日下点距离略有减小, 磁层顶磁尾张角减小, 极尖区内凹中心向低纬移动. 通过对2010年8月1日太阳风暴事件验证发现, 本文所建立的模型能够描述极端太阳风条件下的三维磁层顶位形.      

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.      

磁尾等离子体片对流对亚暴的影响

采用2(1/2)维全粒子电磁模拟方法研究了等离子体片中稳态对流及局地爆发高速流对磁层亚暴触发过程的影响.研究发现,地向瞬时局地高速流可触发磁场重联,导致储存于磁尾磁场能量的快速释放.但是,等离子体片稳态对流可抑制磁尾磁场重联过程.此项研究结果表明,局地爆发高速流能够触发磁层亚暴;而行星际磁场(IMF)持续南向时的稳态磁层对流期间,不易发生亚暴.      

基于Cluster观测的磁尾场向电流在南北半球投影位置的分布

利用Cluster四颗卫星的磁场探测数据计算磁尾场向电流并投影到极区电离层,研究其投影位置在南北半球的分布规律,统计过程中去除了强磁暴（磁暴主相Dst<–100 nT）期间的场向电流事件。结果显示:磁尾场向电流事件在极区投影位置的纬度分布具有明显的南北半球不对称性,北半球为单峰结构,南半球为双峰结构。在北半球投影到较低纬度（<64°）的场向电流事件数目明显多于南半球,并且所能达到的最低纬度更低;在南半球投影到较高纬度（>74°）的场向电流事件数目明显多于北半球,并且所能达到的最高纬度更高。地磁平静条件下（|AL|<100 nT）,磁尾场向电流密度随磁地方时（MLT）呈递增趋势,这一结果与低高度卫星在极区对I区场向电流的探测结果符合很好。研究结果表明,磁尾场向电流投影位置的纬度分布呈现出明显的南北不对称性,这与南北半球磁尾场向电流的空间分布以及磁层中磁场结构具有密切关系。      

近地尾向流和磁场——TC-1卫星观测结果

2004年10月12日,在01:30—04:30 UT期间,位于向阳侧磁层顶附近的Geotail卫星探测到行星际磁场为持续南向.此太阳风条件驱动了一个小磁暴,Sym-H指数在04:12 UT达到最小值-33 nT.在磁暴主相期间,AE指数维持在较高的水平,其最大值达400 nT.02:00—03:00 UT期间,TC-1卫星在近地磁尾(-10.6,3.2,-0.1)R_e处观测到明显的亚暴膨胀相特征和磁场偶极化过程.在偶极化前1 min,有较强的(v_x<-100 km/s)持续时间超过3 min的尾向流发生.分析发现该尾向流具有低温、高密度和沿磁场流动的特点,这说明尾向流具有来源于电离层风的特征.尾向流期间,TC-1观测的磁场分量B_x和总的磁场强度增加,磁倾角减小,磁场结构变成非偶极型,说明尾向流对磁场结构有一定的影响,文中尝试给出了相应的物理解释.观测表明,该事例中的近地磁尾尾向流可能对磁场偶极化过程的发生有重要意义.     

行星际磁场对磁尾场向电流发生率的影响

利用Cluster卫星的磁场和等离子体探测数据, 研究了行星际磁场(IMF)时钟角(clock angle) Φ和锥角(cone angle) θ对磁尾等离子体片边界层(PSBL)区场向电流发生率的影响. 当时钟角Φ >0时, 磁尾场向电流 的发生率较高, 这表明磁尾场向电流的发生与昏向太阳风条件更为密切; 当 90°<|Φ|<180°时, 场向电流的发生率较高, 这表明 场向电流的发生与南向IMF更为密切. 当锥角θ <30°时(即IMF与 日地连线夹角较小时)场向电流的发生率较低. 而当θ> 30°时, 场向电流在90°<|Φ|<180°的情况下发生率明显增大, 这说明南向IMF情况下, 场向电流发生率明显增大. 但是当|Φ|<90°时 (北向IMF情况下), 尽管θ很大, 场向电流的发生率并未明显增大. 当θ>70°时, 且在140°< < i>Φ<160°的行星 际磁场条件下, 磁尾等离子体片边界层区场向电流的发生率最大.      

近地尾向流和磁场偶极化——TC-1卫星观测结果

2004年10月12日, 在01:30---04:30 UT期间, 位于向阳侧磁层顶附近的Geotail卫星探测到行星际磁场为持续南向. 此太阳风条件驱动了一个小磁暴, Sym-H指数在04:12 UT达到最小值-33nT. 在磁暴主相期间, AE指数维持在较高的水平, 其最大值达400nT. 02:00---03:00 UT期间, TC-1卫星在近地磁尾(-10.6, 3.2, -0.1)Re处观测到明显的亚暴膨胀相特征和磁场偶极化过程. 在偶极化前1min, 有较强的(v_x<-100 km/s)持续时间超过3min的尾向流发生. 分析发现该尾向流具有低温、高密度和沿磁场流动的特点, 这说明尾向流具有来源于电离层风的特征. 尾向流期间, TC-1观测的磁场分量Bx和总的磁场强度增加, 磁倾角减小, 磁场结构变成非偶极型, 说明尾向流对磁场结构有一定的影响, 文中尝试给出了相应的物理解释. 观测表明, 该事例中的近地磁尾尾向流可能对磁场偶极化过程的发生有重要意义.      

Relationship between substorm activity and the interplanetary medium parameters during the main phase of strong magnetic storms

In the present paper dependences of substorm activity on the solar wind velocity and southward component (Bz) of interplanetary magnetic field (IMF) during the main phase of magnetic storms, induced by the CIR and ICME events, is studied. Strong magnetic storms with close values of Dst_min?≈??100?±?10?nT are considered. For the period of 1979–2017 there are selected 26 magnetic storms induced by the CIR and ICME (MC?+?Ejecta) events. It is shown that for the CIR and ICME events the average value of the AE index (AE_aver) at the main phase of magnetic storm correlates with the solar wind electric field. The highest correlation coefficient (r?=?0.73) is observed for the magnetic storms induced by the CIR events. It is found that the AE_aver for magnetic storms induced by ICME events, unlike CIR events, increases with the growth of average value of the southward IMF Bz module. The analysis of dependence between the AE_aver and average value of the solar wind velocity (Vsw_aver) during the main phase of magnetic storm shows that in the CIR events, unlike ICME, the AE_aver correlates on the Vsw_aver.     

On the association of quiet-time Pi2 pulsations with IMF variations

The association of quiet-time Pi2 pulsations with the variations of the interplanetary magnetic field (IMF) has been examined by using three reported events, occurring during extremely quiet intervals, of which the first was on 10 March 1997, the second 27 December 1997, and the third 11 May 1999. For the first event, the onset time of ground Pi2s maps to the IMF structure bearing a variation cycle of north-to-south and north again as seen by Wind in the upstream region and Geotail in the magnetosheath. Likewise, the second and the third events have respectively, four and three recurrent turnings propagating to the Earth sensed by multiple satellites. The comparison of geomagnetic perturbations, auroral brightenings, and energetic particle data in the magnetotail with the IMF observations shows successive substorm-like activations accompanied by ground Pi2 onsets. For a clear variation cycle, the first Pi2 burst appears 36 ± 8 min after southward turning of the IMF and the second one follows14 ± 4 min after a northward turning. Moreover, ground Pi2 onsets recur under low IMF clock angle conditions. These observational results can be interpreted with the prevailing models of externally triggered substorm. But the solar wind coupling to the magnetosphere under quiet conditions proceeds in a less efficient way than under substorm time conditions. Consequently, we suggest that recurrent quiet-time Pi2s can be associated with IMF variations and their cause can be the same as those for substorm times.     

A comparative analysis of the role of interplanetary magnetic field (IMF) and sudden impulse (SI) in triggering a substorm

During a typical Akasofu-type of substorm, the southward component of IMF Bz is necessary prior to the onset. However, a sudden compression of solar wind, if intense enough, can also sometimes trigger a substorm, and is independent of the IMF orientation. The Akasofu-type substorm and the Impulse-induced substorm may differ in their occurrence mechanism and ground-based observations. This is shown using the initial four substorm events discussed in this paper having distinctly different IMF and sudden impulse conditions. A question then arises is how will these signatures vary when both sudden impulse and a southward component of IMF Bz are present prior to the onset. To account for the same, we analyze two substorm events of 05th April 2010 and 22nd June 2015. The substorm onsets on these days not just coincided with the sudden impulse but also a southward component of IMF Bz was present prior to the onsets. The present study accounts for the similarities and differences among isolated IMF induced substorms, isolated impulse-induced substorms and when both sudden impulse and a southward component of IMF Bz are present. We examined the relative dominance between the two factors in triggering a substorm using ground-based and satellite-based observations. If IMF Bz is near zero, a strong pressure pulse and/or large IMF By can lead to particle precipitation away from the usual midnight. To further ensure whether a pressure pulse or IMF By predominantly influences the substorm onset location, a statistical analysis of isolated substorms will be needed.     

2004年12月13日IMF北向期间极区亚暴电离层电动力学特征

利用KRM地磁反演方法, 结合北半球中高纬度地磁台站数据, 研究了2004年12月13日行星际磁场北向期间发生的亚暴事件, 极区电离层电动力学参量(电流矢量、等效电流函数以及电势)的分布特征. 结果表明, 在该亚暴膨胀相起始后, 午夜之前西向电集流急剧增强, 且等效电流体系表现为夜侧双涡, 同时伴随夜侧增强的南向电场. 由于极弱的直接驱动过程, 卸载过程引起的电离层效应得到清楚显示. 卸载过程在膨胀相期间起绝对主导性作用. 同时, 夜侧电导率的增强是电集流区域电流急剧增强的主要原因.      

Case study of September 24–26, 1998 magnetic storm

We compute global magnetospheric parameters based upon solar wind data obtained from the WIND spacecraft upstream. Using the paraboloid magnetospheric model, calculations of the dynamic global magnetospheric current systems have been made. The solar wind dynamic pressure, the interplanetary magnetic field, the strength of the tail current, and the ring current control the polar cap and auroral oval size and location during the magnetic storm. The model calculations demonstrate that the polar cap and the auroral oval areas are mainly controlled by the tail current. The substorm onset at 0630 UT on September 25, 1998 happened near the minimum in the main phase field depression. The substorm expansion onset time is also marked by a sudden enhancement in the solar wind dynamic pressure and an enhancement in the tail current. The magnetic signatures of these two effects cancel each other, which explains why the D_st profile shows no strong time variation during the substorm. Evidence for the substorm expansion includes not only the signature in the AL index but also the strong asymmetry of the low latitude magnetic disturbances (substorm positive bay signature). Model calculations were checked by comparison with the GOES 8 and 10 magnetic field measurements.     

利用BP神经网络预测AE指数

采用的预报模式是一种全连接的BP网络模型,利用太阳风及行星际磁场的观测数据预报AE指数.神经网络输入选用ACE卫星数据,取5 min平均值,通过比较,选用4个预报参量.构造了预报参量时续为20 min,40 min和60 min依次递增的三个网络,分别进行训练和预测,并对行星际参量对AE指数影响的时续性进行了探讨.预报结果表明,全连接BP神经网络在AE指数的短期预报中是比较有效的,同时还提出了需要进一步改进的环节.