磁层中重离子O＋通量密度分布的理论研究

应用求解得到的分布函数，研究了北半球子午面内极光带区起源的重离子Ｏ＋在磁层中的通量密度定态分布及其特性．结果表明：（１）重离子Ｏ＋通量密度分布沿ＧＳＭＺ轴方向呈峰状结构，其峰值随地心距离增大而减小，在近地空间减小较快；（２）磁扰动时，Ｏ＋离子占据的空间范围较磁宁静时大，通量峰较不突出；（３）理论估算的磁尾等离子体片边界层附近重离子Ｏ＋通量密度与观测结果相一致．     

部分开放多极磁场中的日冕磁绳灾变

采用球坐标下二维三分量理想MHD模型，研究部分开放多极背景磁场中日冕磁绳的灾变现象．背景磁场由含3个闭合双极场的冕流和带赤道中性电流片的开放场构成，磁绳位于中心双极场的下方，其特性由环向磁通和轴向磁通表征．对给定的环向磁通，存在轴向磁通的一个临界值；对给定的轴向磁通，也存在环向磁通的一个临界值．在该临界值以下，磁绳附着于太阳表面，系统处于平衡状态；该临界值一旦被超越，磁绳将脱离太阳表面向上喷发，说明部分开放多极背景磁场中的日冕磁绳系统存在灾变现象．本文算例表明，灾变点对应的磁能阈值超过对应部分开放场(中心双极场开放，两侧的双极场仍维持闭合)能量约15％，其超过部分可为日冕物质抛射一类太阳爆发提供能源．     

太阳大气中有限振幅磁场扰动的动力学过程

本文从完整的磁流体动力学方程组出发,通过太阳大气中磁力线管根部有限振幅磁场的扰动,研究了非线性磁场的动力学演化。假设初始磁场位形足β<<1的势场,根部磁力线管磁场扰动,驱动等离子体运动,一部分磁能转换为等离子体动能。等离子体压缩运动具有快磁声波的特性。计算结果给出非线性磁场演化的定量关系,可以解释太阳大气中日冕活动过程。也可用于模拟实验室里高β实验装置中的等离子体的持性。      

镜模波识别方法研究及其在火星磁鞘中的应用

镜模波是温度各向异性等离子体中的一种波动结构,根据磁场和离子分布及波动特性可以进行识别.本文对比了只使用磁场数据与同时使用磁场及离子数据两种识别方法,分析了两类方法的特点.只使用磁场数据的方法基于磁场强度变化大、方向沿背景磁场的特征,通常使用磁场强度的波动幅度ΔB/|B|以及磁场变化方向与背景磁场的夹角θ_min,θ_max作为参数;同时使用磁场及粒子数据的方法利用的是磁场纵波特性、总压平衡和波动在等离子体坐标系下静止的特征.使用两种方法对MAVEN卫星在火星磁鞘内的数据进行识别,结果表明在某些情况下,只使用磁场数据会导致对镜模波的误判.通过研究改变上述参数阈值时识别结果的变化,发现当θ_min> 40°,θ_max < 40°,ΔB/|B|> 80%时,只用磁场数据可取得较好的识别效果.      

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．     

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.      

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.     

等离子体彗尾动力学的数值研究

本文基于可压缩磁流体动力学模型,数值研究了尾瓣巾具有超Alfven速流动的等离子体彗尾的动力学特征。结果表明,等离子体片和尾瓣之间的剪切等离子体流动将会激发流动撕裂模不稳定性,引起彗尾等离子体片中发生磁场重联,形成磁岛和高密度的等离子体团。进而模拟了太阳风引起的局部驱动力对等离子体彗尾中磁场重联的影响,其特征时间远大于流动撕裂模。我们认为一些观测到的等离子体彗尾中的四块和彗尾截断事件可能主要与彗尾中剪切等离子体流动所引起的流动撕裂模不稳定性有关。      

上游太阳风中高能电子向同步轨道区的传输

通常认为，同步轨道区的电子通量增加是由于磁暴或者上游太阳风高速流的扰动所引起．近来的观测表明，起源于太阳活动的行星际高能电子也是引起同步轨道电子通量增加的重要原因之一．Zhao等在研究2000年7月14日太阳剧烈活动时发现，同步轨道区相对论电子通量巨幅增加时没有观察到上游太阳风高速流的扰动，并且磁暴发生在电子通量事件之后．采用解析磁场模型和实际磁场模型(T96模型)模拟来自太阳的相对论电子在磁尾中的运动特性．计算结果表明，当行星际磁场南向时，进入到磁尾的行星际相对论电子可以从较远的磁尾区域运动到同步轨道区域．这一研究结果从理论上论证了起源于太阳活动的高能电子可以对同步轨道区相对论电子通量的增加产生重要的作用．     

太阳表面水平运动驱动的磁圈与开放磁场重联的模拟研究

太阳大气的诸多观测事件(如耀斑、喷流等)均被归因于磁重联产生的能量转换. 近年来, 关于太阳风起源, 有研究提出了磁重联使闭合磁圈开放为太阳风供应物质的新模式. 在该模式中, 闭合磁圈被光球超米粒组织对流携带, 向超米粒边界运动, 与位于边界的开放磁场相碰撞进而发生磁重联. 该模式中磁重联的驱动及其效应是本文的研究目标. 磁流体力学(MHD)数值模拟是研究太阳大气磁重联物理过程的重要途径. 本文建立了一个二维MHD数值模型, 结合太阳大气温度和密度的分层分布, 在超米粒组织尺度上模拟了水平流动驱动的闭合磁圈与开放磁场的重联过程. 通过对模拟结果的定量分析, 认为磁重联确实能够将闭合磁圈的物质释放, 进而供应给新的开放磁结构并产生向上流动. 该结果为进一步模拟研究太阳风初始外流奠定了基础.      

ISEE-1 and -2 observations of magnetotail flux ropes: FTEs in the plasma sheet?

ISEE-1 and 2 observations from about 20 Re down the near-Earth magnetotail indicate the presence of magnetic flux ropes in the neutral sheet. Magnetic and electric field and fast plasma data show that these structures convect across the spacecraft at speeds of 200–600-km/s, and have scale sizes of roughly 3–5-Re. The rope axis orientation is approximately cross-tail. Their magnetic structure is similar to Venus ionospheric flux ropes, and to flux transfer events at the dayside magnetopause. These structures may arise from patchy reconnection or tearing mode reconnection within the plasma sheet.     

利用Cluster卫星磁尾单事例研究具有复杂核心磁场结构的磁通量绳

2002年8月28日09:50UT-10:50UT,Cluster卫星在地球磁尾观测到一次导向场磁场重联事件.卫星观测到磁场重联扩散区附近清晰的霍尔（Hall）四极型磁结构.由于导向场的存在,该四极型结构被扭曲变形.在该磁场重联事件中,卫星观测到多个磁通量绳,大部分磁通量绳的核心场极性与导向场极性一致.但是,其中一例磁通量绳的核心场结构极性较复杂.该例磁通量绳中心区域核心场强度出现峰值,核心场极性和导向场极性一致;中心以外区域的核心场极性和导向场极性相反.这种复杂核心场结构以前未见报道.通过最小方向导数法,发现该磁通量绳的轴向是弯曲的.C1和C3卫星穿越了磁通量绳弯曲部分,探测到核心场极性变化;C2和C4卫星位于C1和C3卫星的北侧,仅穿越了磁通量绳弯曲处的一部分,故核心场具有单极性.      

Magnetic reconnection in solar flares and corresponding radio bursts

The 2D MHD model of the flare magnetic reconnection shows that a reconnection activity, changes of the magnetic field topology and generation of waves are connected. It is found that after the phase of a quasi-stationary reconnection in the extended current sheet above the flare arcade the tearing mode instability produces the plasmoids which then can interact and generate MHD waves. Results of particle-in-cell simulations of the tearing processes, which accelerate electrons, are mentioned. Then all these processes are discussed from the point of view of possible radio emissions. While shocks can contribute to the type II radio burst, the superthermal electrons trapped in plasmoids can generate so called drifting pulsating structures. Furthermore, regions with the MHD turbulence may manifest themselves as the lace or dm-spike bursts.     

Observations of Magnetic Reconnection in the Magnetotail Associated With Substorms

Magnetic reconnection is one of the most important, dynamic phenomena in the magnetotail in terms of magnetic field line configuration change and energy release. It is believed to occur in the distant magnetotail mainly during southward interplanetary magnetic field periods and in the near-Earth magnetotail in association with substorms. In the present paper, we discuss several important issues concerning magnetic reconnection in the magnetotail associated with substorms, such as reconnection signatures, location, timing, spatial scale, and behavior, from the macroscopic, observational point of view.      

磁尾等离子片中偶极化锋面的数值模拟研究

利用守恒型TVD格式对8波模型磁流体方程组进行数值模拟, 对磁尾中偶极化锋面的物理和演化特性进行研究. 构建了由BBF类型通量管机制产生的偶极化锋面数值模拟模型, 该模型由磁尾平衡模型、亚暴增长相模型和亚暴触发及BBF形成模型三部分组成. 数值模拟结果很好地再现了磁尾中BBF类型通量管机制产生的偶极化锋面特性. 伴随着高速 流的出现, 磁场B_z分量呈非对称双极变化结构, 即锋面前减小为负值, 在锋面上急剧增大. 当B_z增大到极大值后回落并趋于稳定. 随着偶极化锋面伴随地向高速流向地球运动, 偶极化锋面上B_z的变化越来越小.      

ISEE卫星等离子体能谱图片处理与初步分析

本文利用图象分析的方法，将ＩＳＥＥ卫星的等离子体能谱图数值化，以便定量地分析ＩＳＥＥ卫星观测到的磁尾等离子体和磁场资料。以及研究磁尾中性片的纤维结构，对今后研究近地磁尾（２２个地球半径以内）各种空间动力学机制，电流结构体系等问题都有很重要的利用价值。     

Energy requirement of magnetic reconnection during magnetospheric substorms

Methods are discussed to estimate energy transfer from the solar wind to the magnetosphere during substorm growth phases. Observational and modeling constraints are then used to assess quantitatively the total amount of energy stored in the magnetotail. The major avenues of energy dissipation are examined and the energy that is released in the form of plasma sheet heating, ionospheric Joule heating, plasmoids, and energetic particle production during substorms is assessed. Energy sources are evaluated to drive substorm evolution in a particularly well-observed case: stored tail-lobe energy is sufficient to drive observed substorm dissipation processes (by large margins). On the other hand, energy in the closed field lines of the plasma sheet is insufficient to supply the substorm energy. Hence, magnetic reconnection is required on energy grounds during well-observed substorm cases.     

Understanding magnetotail current sheet meso-scale structures using MHD simulations

Recent Cluster observations have strongly supported the existence of meso-scale structure in the magnetotail current sheet. In our study, a magnetohydrodynamic simulation event study exhibited current sheet behavior comparable to that seen in the Cluster observations. Geotail and DoubleStar observations also show that the simulation is providing a realistic representation of the magnetosphere during the period of interest; that is, when the current sheet evidently becomes bifurcated. The magnetohydrodynamic simulation allows us to place the local observations into a global contest. It shows that the observations can be explained in terms of localized reconnection tailward of the Cluster location and the formation of a flux rope nearby. The simulation also features wave-like structure across the current sheet.