太阳风-磁层-电离层耦合过程中的能量收支

太阳风向磁层电离层(Magnetosphere and Ionosphere, MI)系统输入能量, 而输入的能量随后在MI系统中消耗. 本文从能量守恒原理出发, 讨论太阳风-磁层-电离层 (SMI)耦合过程中的能流路径和能量收支的定量关系. 主要讨论9个问题: (1) 太阳风向MI系统的能量输入, (2) MI系统对能量输入的响应, (3) 环电流的能量消耗, (4) 极区电离层焦耳加热的能量消耗, (5) 极光粒子沉降的能量消耗, (6) 磁尾能量的消耗、储存以及返回下游太阳风, (7)平静期间的能量积累与释放, (8)能量在不同能汇中的分配, (9)评价能量函数的准则和方法.     

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...     

关于IMF北向分量特强时的太阳风－磁层－电离层耦合

Relationship between the solar wind-magnetosphere energy coupling function and the energy consumption in the magnetospheric system is tested by the samples during period of northward B_z(>10 nT) of IMF. It is shown that the energy function which can well describe the solar wind-magnetosphere coupling when B_z>0 is no more applicable for B_z>10 nT, but the coupling still exists, the effects of which are mainly found at the polar cap. Dst often turns to positive when B_z> 10 nTand the coupling mechanism is different from that when B_z<0. New coupling function has to be introduced to describe the solar wind-magnetosphere coupling for the case of B_z> 10 nT.      

太阳风--磁层相互作用的磁流体力学数值模拟研究

磁层位于地球空间的最外层, 太阳风与磁层的相互作用是空间天气变化因果链中承上启下的关键环节, 是揭示地球空间天气基本规律的关键科学课题. 地球空间由于时变、多成分、多自由度的关联相互作用,使得传统的理论分析变得非常困难. 数值模拟作为近几十年发展起来的一个新的研究手段,对地球空间的理论和应用研究产生了深刻的影响. 国际上磁层的全球MHD数值模拟工作开始于20世纪70年代末, 最初的研究局限于二维空间. 由于磁层内在的三维特性, 20世纪80年代三维MHD数值模拟工作兴起. 本文简要说明了三维全球磁层MHD (磁流体力学)研究的特点及现状, 给出了三维全球磁层模型的基本框架, 综述了行星际激波与磁层相互作用、大尺度电流体系、重联电压和越极电位、磁层顶K-H不稳定性等方面的太阳风--磁层相互作用的MHD数值模拟的研究进展.     

用高分辨率地磁资料考察磁层耦合的特征

用取自１００°Ｅ和３００°Ｅ的两条地磁经度链附近１１个台站的１ｍｉｎ均值地磁资料,分析了１９９４年１１月２６日磁暴期间的磁扰特征,由Ｈ和Ｚ分量变得知,一区和二区场向电流的变化发展是磁层－电离层电动耦合中的重要过程,它们对于极光区和中纬区电离层的作用效果有很大差异。     

偶极倾角对弓激波日下点距离和尾部张角的影响

通过对IMP 8,Geotail,Magion 4和Cluster 1四颗卫星弓激波穿越数据的统计及拟合分析,定量研究了偶极倾角对弓激波日下点距离和尾部张角的影响.结果表明:弓激波日下点距离随偶极倾角绝对值的增大而增大,且偶极倾角为负值时比其为正值时日下点距离增大的幅度更大;弓激波尾部张角随偶极倾角绝对值增大而减小;当偶极倾角由负变为正的时候,弓激波向地球一侧移动,同时尾部张角增大.研究结果为进一步建立包含偶极倾角效应的弓激波模型奠定了基础.     

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.     

磁层-电离层电动耦合与中纬地磁指数的变化

本文探讨磁层一电离层耦合过程内中纬地磁指数的变化特点,并与极光电集流和赤道电集流(指数)变化相比较。相关分析和时序叠加分析均表明,高、中、低纬地磁指数变化可归结为磁层一电离层电动耦合的统一物理图象。有R事件的磁暴主相初期和无R事件的磁扰期内,赤道电集流和中纬地磁指数的变化各不相同。这再次证明,耦合分析中将磁层源扰动的直接穿透作用与经电离层内动力过程的效应二者加以区分和综合研究是很重要的。     

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。     

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、E_K-L电场以及极光沉降能量进行时序叠加分析,并分别与-vB_z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E_K-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.     

太阳风扰动对极光电急流和环电流指数的影响

利用WIND卫星的太阳风观测数据和地磁活动指数, 研究了太阳风扰动对环电流SYM-H指数, 西向极光电急流AL指数和东向极光电急流AU指数的影响. 结果表明, 太阳风动压增长和减少能够同步或延迟引起地磁活动指数的强烈扰动, 其包括环电流指数的上升, 西向极光电急流指数的下降和东向极光电急流指数的上升. 太阳风动压的突然剧烈增加还能够触发超级亚暴和大磁暴. 太阳风动压脉冲引起的地磁效应具有复杂的表现形式, 这说明太阳风动压脉冲的地磁效应不仅与太阳风动压脉冲大小和持续时间有关, 还与磁层本身所处的状态有关. 时间尺度较长, 消耗能量较大的磁暴只有大的持续时间较长的太阳风动压脉冲才能激发.     

光压摄动对卫星姿态轨道耦合的影响分析

随着卫星对地测量精度要求的不断提高, 对卫星轨道的精度要求也随之提高. 目前Topex, Jason-1, Jason-2等一系列海洋测地卫星的轨道计算精度已经达到厘米量级, 相应对卫星动力学模型的要求也越来越精细. 以Topex海洋测地卫星为背景, 考虑卫星帆板有规律的运动, 将其几何形状简化为高精度轨道计算中比较通用的Boxing-Wing模型, 计算了Topex卫星的Boxing-Wing模型在轨运行中受到的太阳光压力及光压力矩. 考虑卫星姿态和轨道耦合的情况下, 计算了太阳光压力及光压力矩对Topex卫星轨道半长轴和卫星姿态的影响. 通过一个轨道周期的计算可知, 光压对卫星轨道半长轴的影响大约为9cm, 对卫星滚动角和俯仰角的影响在6°左右, 因此, 在高精度的轨道计算和姿态控制中这个影响是应该考虑的.     

Aspects of Global Magnetospheric Processes

Magnetospheric global modeling is a method to link observations from distant regions via physical laws and has long played a unique and crucial role in space physics. It, different from computer simulations, represents the highest level of abstraction of the physical understanding of the processes that cause observed phenomena. It results in various specific models. While it appears in the form of cartoons, it is based on and has to be qualitatively consistent with physical laws. With the advancement of computer simulations, clues to the connection between physical laws and observation can be perceived much more easily than as ever before. However, computer simulation results are highly dependent on the used boundary conditions and numerical methods which may or may not represent the reality, even if the initial conditions are properly set. Therefore, simulations can easily mislead the investigations. Furthermore, a simulation result needs to be examined using diagnostic tools, such as field line tracing and streamline tracing programs. There are uncertainties in these diagnostic methods. The errors can be very large in certain areas under certain conditions. For example, a small error may link two different field lines or stream lines. The interpretations of the simulation results can be misled by these errors. The knowledge of global modeling can be useful in identifying the inconsistencies in the simulations and the flaws in the theoretical interpretation from the simulations. This review-tutorial article outlines the principles of the global modeling and discusses the successes and flaws of several global models.     

太阳高能粒子事件强度与相关双CME事件关系的两个事例

太阳高能粒子事件常伴随太阳耀斑和日冕物质抛射事件(Coronal Mass Ejections,CME)出现,由于太阳高能粒子事件的关键因素是双CME的相互作用,利用SOHO卫星观测的高能粒子强度、耀斑强度以及CME的相对高度与时间,通过高度与时间拟合得到的速度,分析了2001年4月15日和2005年1月20日的太阳高能粒子事件强度与相关双CME事件的关系,发现这两个太阳高能粒子事件中E ≥ 10MeV质子的强度与双CME事件无关.因此在这两次太阳高能粒子事件早期,E ≥ 10MeV质子的强度只与相关太阳耀斑和CME有关.     

太阳光谱辐射强度变化对地球能量平衡的影响分析

目前太阳对地球能量平衡影响的研究大都是以太阳总辐射通量密度作为输入参数的. 本文以美国航空航天局（National Aeronautics and Space Administration,NASA）太阳辐射与气候实验项目的卫星实测数据为基础,对太阳上升相（2010年上半年）和下降相（2007年12月）期间太阳光谱变化对地球能量平衡的影响进行了研究. 结果表明,2010年上半年较强的太阳总辐射通量密度主要是由紫外及红外波段的能量增强引起的,其在200～400nm 和760～4000nm波段内的平均能量分别增加了0.11%和0.05%,而在 400～760nm可见光区的能量却呈减小趋势,平均减小量为0.05%. 通过对MLS2.2全球臭氧日数据进行再分析后发现,相对于2007年12月,2010年上半年平流层臭氧浓度也有所增加,其中在太阳紫外辐射呈现较大增强的2月和3月,其臭氧增量也相对较大,最大值分别出现在33km和40km处,值为0.6mL·m^-3和0.62mL·m^-3. 因此,可见光区能量减弱与平流层臭氧浓度增加的双重削弱作用致使虽然2010年上半年的太阳总辐射通量密度较大,但是到达对流层顶的太阳辐射却有所减小,最大减小量出现在3月,值为0.15W·m^-2. 这一结果说明,太阳活动或总辐射通量密度的增强也有可能对地球对流层系统起到冷却作用.