空间等离子体云的回旋同步辐射

CME在行星际空间传播时, 会导致强磁场、高密度等离子体云的出现. 回旋同步辐射是此类等离子体的一种主要的射电辐射机制, 且携带行星际磁场的重要信息. 本文重点探讨了光深τν ≤1时回旋同步辐射的发射、吸收及极化特性, 包括热电子、非热电子, 投掷角各向同性、投掷角各向异性等离子体云的回旋同步辐射过程的研究分析. 在此基础上, 推导了考虑折射指数情况下, 辐射强度、辐射亮温的表达式.      

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.     

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。      

太阳活动与全球气候变化

太阳不断向地球辐射电磁波和粒子, 太阳辐射是地球气候系统最主要的能量来源. 地球气候系统对太阳活动的响应是一个复杂的过程, 包括辐射过程、动力学过程以及微观物理过程等. 根据太阳辐射的卫星观测结果和重建结果, 例举了古气候、温度、大气环流和云量等方面太阳影响气候的观测证据, 论述了太阳影响气候的三种可能机制, 即太阳总辐射变化可以影响地表温度, 并通过海-气耦合改变大气环流; 太阳紫外辐射通过调制平流层的温度和风场影响下面的对流层; 太阳通过行星际磁场调制银河宇宙线, 而银河宇宙线通过电离大气影响云量, 进而改变地球的能量收支.      

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。     

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.     

行星际磁场的螺旋扇形过渡区

从行星际磁场的大尺度螺旋形构型和扇形边界附近太阳风流动与冕旒的可能相关,本文得到一个推论,即在行星际空间可能存在一种较厚的螺旋扇形过渡区。行星际磁场和太阳风的实地观测证实了这种较厚的螺旋扇形过渡区的存在。在所分析的45个螺旋扇形过渡区中,磁场强度都不为零;大部分大于或小于周围平均场强。本文进一步分析了磁增大和磁减小两类过渡区中的物理性质和可能成因。      

1989年3月大宇宙线暴事件的特征

本文分析了1989年3月一系列大耀斑等离子体抛射引起的宇宙线强度变化的特征.除对中子成分分析外,还对μ介子成分及其各向异性特征作了分析,讨论了宇宙线强度变化与太阳耀斑特性和地磁扰动之间的关系。分析发现,宇宙线的Forbush下降不仅与太阳耀斑的级别、持续时间,以及在日面上的位置有关,而且还与光学耀斑是否伴有强的X射线暴、是否有强的射电爆发,以及是否引起强的地磁暴紧密有关.各向异性分析表明,3月大事件的各向异性明显小于宁静时的各向异性,这可能是因为受到太阳活动强烈调制之后,宇宙线各向异性趋于减小的原因.     

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。      

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.      

1998年9月24日地磁暴前宇宙线各向异性特性分析

分析了日本Nagoya 宇宙线闪烁体望远镜30°, 49°, 64° 倾角的东、西、南、北方向探测数据的变化特点, 运用小波分析方法定性地探讨了磁暴前后宇宙线南北、东西各向异性的变化特征. 研究发现, 当发 生大地磁暴时, 地面宇宙线强度的各向异性特征将发生非常大的变化, 这种变化一般在磁暴发生前10~20 h就开始出现. 当描述这种各向异性特征的各向异性指数的小波系数变化达到一定阈值时, 就可能有大地磁暴发生.      

磁壳参数L与磁暴Dst指数和行星际条件的关系

用磁坐标L-/A来描述地球近地空间粒子特性和卫星位置是近年来空间物理探测研究和数据分析中的一个新趋势.利用T96磁场模型计算了L值,并比较了在地球磁层剧烈活动期间和不同行星际条件下,用偶极子模型,国际参照磁场(IGRF)模型,和T96磁场模型这三种方式计算得到的地球表面L-A磁坐标之间的区别.在地磁纬度大于30°时偶极子近似和IGRF磁场模型计算得到的L值差别开始增大.在地磁纬度大于50°时,用IGRF磁场模型和T96磁场模型计算得到的L值差别开始增大.由于T96磁场模型引入了行星际磁场南北和东西分量,计算的L值包含了行星际条件的影响,并具有了随地方时变化的特性.本工作对于辐射带粒子动态模式的建立,以及正确理解卫星磁坐标位置等具有重要意义.     

利用行星际监测数据进行地磁暴预报

利用全连接神经网络方法应用于地磁Dst指数的预报中.对ACE卫星探测的太阳风和行星际磁场及其变化对未来几小时的Dst指数的影响进行了统计分析,发现在这些行星际实测参数中,对Dst指数作用较为明显的是太阳风速度、太阳风质子密度和行星际磁场南向分量,同时,当前Dst指数实测值对今后几小时的Dst指数已有很强的制约作用.在统计分析的基础上,建立了全连接神经网络预报模型.由于采用了全连接神经网络结构,模式能够反映出太阳风、行星际磁场等参数与地磁Dst指数参数的复杂联系,可以自动建立输入参量的最佳组合方式,提高了预报精度.通过利用大量实测数据对神经网络模式进行训练,最终建立了利用优选的ACE卫星行星际监测数据提前2 h对Dst指数进行预报.通过检测,预报的误差为14.3%.      

月表磁异常影响的太阳风电子反射运动

模拟太阳风电子向月表运动的轨迹, 研究由于月表磁异常的存在造成的电子反射运动. 首先设定行星际磁场Bsw 指向月球并与月表垂直, 将月表的磁异常区看成是一个磁偶极子, 偶极矩大小为Mcb; 然后分别考察该偶极矩与行星际磁场方向平行, 反平行以及±90° 的情形, 通过计算发现, 被反射的电子数目会随着磁偶极矩和行星际磁场的方向改变而改变. 在偶极矩与行星际磁场平行的情况下, 反射率最大; 随着夹角的增大, 反射率减小. 这些结果为利用电子反射法高精度遥测月表磁场提供了很重要的信息.      

1997年1月7-10日广州台站银河宇宙线强度变化特征

1997年1月7－10日的CME事件虽然只引起了中等强度的磁暴，但引起了很强的地球物理效应，这次CME事件影响了银河宇宙线的强度。本文给出了CME在行星际传播期间广州多方向闪烁望远镜观测台站的几个方向记录的银河宇宙线强度变化的特征，并做了简要的分析。     

行星际磁场时钟角与地球磁层开放磁通的关系

地球磁层开放磁通F_pc是研究磁层动力学过程的重要参数之一,其与日侧和夜侧磁尾的磁场重联具有密切关系. 日侧重联率控制稳定状态下磁层开放磁通的大小,主要受各种太阳风条件的影响. 其中,行星际磁场（IMF）的时钟角是影响日侧重联率的一个重要因素. 通过全球MHD模拟,研究了行星际磁场时钟角θ_c与地球磁层开放磁通F_pc 之间的关系. 结果表明,开放磁通F_pc随着行星际磁场时钟角 θ_c逐渐接近180°（纯南向）而逐渐增加,两者之间的关系近似为F_pc∝sin3/2（θ_c/2）. 由于表征行星际磁场与地球磁场剪切程度的θ_c影响日侧重联率,从而控制F_pc,该关系反映了二者之间的物理联系.      

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.      

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.      

太阳风中磁重联的可能性及其观测证据

本文利用美国行星际监测卫星IMP-H和IMP-J同时在弓激波上游的极佳时机(1976年1月21日—22日)探测的结果, 比较了两个卫星同时测得的离子脉冲(E≥125keV/Q, Q≥1)的计数率和各向异性.分析表明在IMP-H比IMP-J离地球远的四个事件a—d中, a和b事件时, IMP-H上测得的计数率大于IMP-J上计数率, 各向异性从太阳指向地球;c事件时, IMP-J上计数率大于IMP-H上的测量值, 各向异性从太阳指向地球;d事件时, IMP-J上计数率大于IMP-H上的相应值, 各向异性改变方向, 从地球指向太阳.它们可以用太阳风中扇形边界样的磁场反转形态磁重联产生的高能粒子的假说来满意地得到解释.