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.      

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.      

高速流前端磁场B_z分量的变化

等离子体片高速流在磁层活动中起着重要作用,其形成机制以及与背景等离子体的相互作用日益引起关注.本文利用搭载于Cluster四颗卫星上的磁场和等离子体观测仪器,对2001和2002两年发生在磁尾等离子体片中高速流事件期间的磁场变化进行了统计研究.结果表明,在高速流前端,伴随着等离子体整体速度的增加,绝大多数高速流前端磁场的B_z分量经常出现先短暂减小然后剧烈增大的现象,符合以往利用Geotail卫星观测数据获得的统计特性.然而个例研究发现B_z的下降与上升常常是不对称的,且B_z分量下降的程度并不是总能达到反向的程度,说明这种变化特征并不一定是存在磁结构的表现.我们认为更多时候这种磁场的变化特征是高速流挤压背景等离子体磁场造成的,是相互作用的结果.当偶极化锋面形成后,由类似间断面的磁场界面反射的热离子产生抗磁效应,可能对B_z下降形成部分贡献,而B_z增加则是高速流携带磁通量堆积的效果.     

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。      

深空探测磁动力技术研究进展

开展深空探测对人类研究宇宙起源与发展、生命存在与进化等重大科学问题具有重要的意义。深空探测有很多关键技术有待突破,先进推进技术是其中最为重要的一个。而可用于深空探测的无需携带推进剂的磁动力推进技术,是利用太阳系和宇宙中广泛存在的等离子体流,使探测器所携带的低密度超导材料制作的线圈通电,在探测器周围形成一个磁场区域,通过该磁场与太阳风等离子流相互作用产生推动力的一种先进技术。文章介绍了磁动力技术的国内外发展现状、磁帆与等离子体流增强型磁帆的基本原理、技术特点以及在未来深空探测中的潜在应用,为我国未来深空探测任务的工程实施提供一种新的方法。     

准平行无碰撞激波的混合模拟

本文应用一维混合模拟方法数值研究了准平行无碰撞激波的结构.结果表明,激波上游的质子和准平行无碰撞激波相互作用后,有部分质子被激波反射,并向激波上游运动很长一段距离,从而激发起束流不稳定性,引起大振幅的共振右旋偏振的低频波动.这些波动在太阳风的带动下向激波下游运动,靠近激波后与激波合井,同时在激波的上游不断有新的波动产生.此过程能不断重复地进行.在平行无碰撞激波的情况下,在激波的下游还有大振幅的非共振右旋偏振的低频波动.激波上游的低频波动在向下游运动的过程中强度不断加强,最后超过原来激波的强度,形成新的激波.      

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。      

磁层顶对磁层磁场的影响

太阳风与地磁场相互作用形成的磁层顶对磁层内磁场有重要影响。本文假定地磁场为偶极子,太阳风为理想导体,在太阳风与磁层的边界上满足磁场法向分量为零的边界条件。采用最小二乘法求得磁层顶电流在磁层内产生的磁场的球谐系数。从计算结果可以看出磁层顶对磁层磁场的影响。结果表明,向阳面的磁场、中性点、极光区的位置与形状与实际观测比较接近;磁尾磁场与实际观测相差较远,原因是没有加上磁尾片电流。文中还给出了太阳风与地磁轴交不同角度时的磁层磁场的计算结果。      

垂直激波条件下能量粒子加速机制的模拟研究

在具有湍动的磁场和垂直激波条件下对大量测试粒子的轨迹进行了数值计算,研究了激波强度和粒子初始能量对于粒子穿越激波的平均能量变化的影响,分析了漂移加速(SDA)在不同条件下对粒子加速的贡献,并给出了一个与数值结果相符合的漂移加速理论公式△E=amvivup(1-1/s).结果表明,加入磁场湍流后,垂直激波条件下粒子仍主要受到漂移加速作用,而基于粒子引导中心的耗散漂移加速理论在此条件下失效.      

行星际结构与垂直无碰撞激波的相互作用

应用一维混合模拟方法数值研究了两种行星际结构──反向磁场和高密度等离子团与垂直无碰撞激波的相互作用．结果表明，随着激波上游区磁场的反向，下游区磁场将逐渐改变符号，且等离子体密度和速度分别呈现较强的湍动．激波上游和下游的物理量依然满足Rankine-Hugonoit关系．当高密度的等离子体团通过垂直无碰撞激波时，部分质子被激波反射，部分质子被加速并进入下游区域．由于质子速度分布为非Maxwell分布，在激波下游也激发出较强的湍动．     

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.     

弓激波模型的对比

使用Cluster卫星的弓激波穿越数据，比较了Peredo弓激波模型、Merka弓激波模型、Chao弓激波模型和Lu弓激波模型在极端太阳风条件、偶极倾角较大和平静太阳风条件下的预测精度.结果表明:Peredo模型在极端太阳风条件和平静太阳风条件下的预测误差均较大；Merka模型在极端太阳风条件下的预测误差较大；Chao模型可以较为准确地描述平静太阳风条件下的弓激波位型，但不能准确描述偶极倾角较大时的弓激波位型；Lu模型可以同时准确描述极端太阳风条件和平静太阳风条件下的弓激波位型.      

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.     

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．     

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.     

Solar wind interaction with comet Halley

In March 6 and 9, 1986 the spacecrafts ‘Vega-1’ and ‘Vega-2’ have flown through the coma of comet Halley and have carried measurements of plasma, energetic particles, magnetic field and plasma waves along its trajectory. A short review of these measurements and its comparison with theoretical models of solar wind interaction with comets are given.

The spacecrafts ‘Vega-1’ and ‘Vega-2’ have studied the solar wind loading by cometary ions, the structure of cometary bow shock and the processes in the inner coma of comet Halley. Exactly in this sequence we discuss the results of measurements and compare them with the theory.     

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.