2004年3月13日TC-1和Cluster卫星联合观测的磁通量传输事件

分析了2004年3月13日12:15到12:25UT期间TC-1和Cluster卫星簇的磁通门磁力计(FGM)和电子/电流试验仪(PEACE)的联合观测数据.在此期间,TC-1卫星位于日下点以南的磁层顶附近的磁鞘中,并在12:19UT左右观测到了一个典型的先正后负的磁鞘磁通量传输事件(FTE);而Cluster卫星簇位于北半球日侧高纬磁层项附近,并于12:23UT左右穿出磁层顶进入磁鞘,且在12:21 UT左右也观测到了一个典型的先正后负的磁层FTE.比较分析发现此两个FTE具有类似的磁场结构和等离子体特征,可能是同一个北向运动的FTE先后被TC-1和Cluster卫星观测到.利用Cluster 4颗卫星的多点同时观测数据,采用最小方向微分法和时空微分方法,推断Cluster卫星观测的这个FTE是尺度大小约为1.21Re的准二维结构,其运动方向为东北方向,与Cooling模型预测方向基本一致.利用Cooling模型的预测,推算了TC-1卫星在12:19UT观测的FTE的运动速度和尺度,进而得出随着通量管的极向运动,其速度和尺度均有所增加.     

磁层顶通量传输事件轴向统计分析

磁层顶通量传输事件（Flux Transfer Event,FTE）与磁重联相关,其典型特征为磁场法向分量的双极变化.在不同FTE模型里,FTE结构可能为重联的通量管、由多X线重联形成的闭合磁通量绳或者由单X线重联形成的开放磁场环,从而在磁层顶有不同的整体位形.使用一种新的轴向分析方法,对Cluster在一个向阳面磁层顶穿越季观测到的505个FTE进行统计研究.结果表明:在磁层顶中低纬度的侧翼,大多数FTE轴向均为沿磁层磁力线方向即南北方向,少数FTE轴向沿着不同于磁层磁力线方向的东西方向;在高纬磁层顶,大多数FTE轴向沿东西方向,少数FTE轴向沿着磁层磁力线方向即南北方向.这些统计特征有助于重新认识FTE的全球形态.      

通量传输事件相关的动力学磁场湍流观测研究

THEMIS卫星观测到通量传输事件（FTE）的同时,也在磁层侧涡流区域观测到强磁场扰动现象.利用快速傅里叶变换分析磁场扰动频谱特征发现:大约在FTE的扰动频率（约0.1Hz）处,功率谱密度达到峰值;在质子回旋频率（约1Hz）至64Hz的频段内,功率谱密度随着频率的增大而减小,服从幂律分布P₀ f-α.因此,可以认为这些磁场扰动为低纬边界层中的动力学磁场湍流.研究结果表明,当低纬边界层（Low Latitude Boundary Layer,LLBL）中卫星相对磁层顶或FTE的位置越来越远时,功率谱密度与功率谱斜率α（幂律指数）降低,但FTE所在的方位角或低纬磁层顶的磁地方时对幂律指数α和功率谱密度没有显著影响.这些观测特征表明移动的FTE是磁场湍流的源.磁层顶上的大规模扰动（如FTE）和相关的磁场湍流从动力学尺度揭示了磁鞘与磁层的类黏滞相互作用.然而低纬边界层中FTE磁层侧涡流形成所需的黏滞性是否可由磁场湍流来提供还需要验证.      

高速太阳风条件下日侧磁层顶磁通量传输事件的全球磁流体力学模拟结果

利用全球磁流体力学模拟,研究了高速太阳风条件下日侧磁层顶的磁通量传输事件（FTE）发生率的空间分布.从模拟结果中得到了FTE信号,并且这些FTE信号的特征与观测结果基本一致.磁层顶上的10个取样点共观测到39个FTE信号.统计分析表明,越靠近翼侧则观测到的FTE信号越少.这一现象可能是磁鞘中太阳风速度分布差异导致的.      

TC-1和Cluster对向阳侧磁层顶通量传输事件的联合观测研究

2004年2至4月期间,探测一号(TC-1)卫星和Cluster卫星有25次同时处在向阳侧磁层顶附近的磁鞘内,TC-1卫星在低纬区,Cluster卫星在中高纬区.利用这一期间两卫星探测到的27个通量传输事件(FTE),分析行星际磁场(IMF)横向分量BT={By,Bz}对磁层顶重联发生位置的影响,以及分量重联的观测事实,得到如下主要结果.(1)当IMF南向分量Bz占优势(|Bz|＞|By|)时,FTE大多(约占87.5%)能在低纬观测到,而当IMF By分量占优势(|Bz|＜|By|)时,则FTE大部分能在中高纬观测到(占84.2%);(2)很少观测到相关联的事件(关联事件指在低纬生成的FTE,向高纬运动中先后被TC-1卫星和Cluster卫星探测到的事件),表明在低纬形成的FTE可能大多沿磁层顶两侧滑向磁尾,只有少数可能运动到高纬地区;(3)中纬地区探测到的FTE大多是以分量重联方式产生于该区,而非来自磁赤道附近成对形成的FTE.      

木星磁层熵参量的计算与分析

空间等离子体熵的不守恒可能来自于磁场位形改变和非绝热过程.熵参量PV~(5/3)被广泛应用于分析地球磁层等离子体片中的输运问题,其中,P为压力,V为单位磁通量管的体积.通过熵参量的分布和变化可以判断磁层的稳定性及揭示磁层中的动力学过程.本文利用地球磁层中熵参量的分析应用,计算了木星稳态磁层模型中磁通量管的熵参量分布.从5R_j(R_j为木星半径)到55_j,熵参量增加了4个量级,55 R)_j之后有所下降,表明所用磁层模型在55R_j之外已经不稳定.同时,假想磁场重联后的单位磁通量管的熵参量分布表明,赤道面中远磁尾的磁场重联是由尾向输运的磁力线管拉伸断裂重联引起的.     

基于能量色散特征计算磁层顶重联位置的方法研究

磁层顶磁场重联是太阳风向磁层输入能量的主要方式.重联如何触发一直是空间物理研究的难点,其机制仍然有待深入研究.由于卫星穿越磁层顶时,很难恰好穿越重联发生的区域,因此难以观测到重联的触发条件.本文利用THEMIS卫星观测,确立了反演磁层顶重联点的方法.当重联刚开始发生时,卫星能够观测到离子的能量色散特征,可利用其计算卫星到重联发生位置的距离.沿着磁力线模型追踪该距离即可反演出磁层顶发生重联的位置.与其他方法进行了对比分析,结果显示本文方法比其他方法具有更高的精度.      

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.     

基于对抗神经网络有限角度的磁层边界CT重构技术

对地球磁层进行软X射线成像探测是近年来磁层研究的前沿方向.由二维X射线成像图重构三维磁层边界的方法研究是与成像探测相关的重要研究课题.传统的计算机断层成像技术(CT)重构方法在图像数据很少时无法得到较好的重构结果,甚至无法重构三维结构.考虑到地球磁层空间分布范围方面的约束,当前卫星任务的轨道设计很难满足扫描角度的全方位...     

火星磁层顶形成和变化的理论研究

考虑太阳风动压与行星电离层中的带电粒子热压及磁压之和平衡,建立了有大气（电离层）的行星磁层顶形成的理论模型,结合卫星对火星的观测数据,对子午面内向日侧火星磁层顶位形进行了数值计算和分析,研究了火星磁层顶位形及其与太阳风动压之间的变化关系．结果认为,火星磁层顶位形与地球磁层顶相似．太阳风动压越大,火星磁层顶越靠近火星;太阳风动压越弱,火星磁层顶越远离火星．根据火星内秉磁矩从古到今逐渐减小的观点,探索了大尺度磁场（内禀磁矩）对火星磁层顶的贡献作用,结果认为大尺度磁场越强,火星磁层顶越远离行星．这对于进一步研究火星磁层的长期演化以及其他行星磁层的位形变化都具有重要的意义．     

Comparing two models of the Earth''s magnetosphere

The existence of a multiplicity of models of the Earth's magnetosphere raises the question: when are two of them equivalent in representing the real magnetosphere? The isomorphism of any two models of the Earth's magnetosphere is defined in terms of magnetic field characteristics. To assess to what degree empirical models are isomorphic with physical ones, two magnetospheres are compared: the magnetosphere of Mead and Fairfield [1975] and the physical magnetosphere proposed by Buneman, [1993]. Parameters realizing the isomorphism are found for the Buneman magnetosphere and the distribution in space of magnetic field characteristics are presented for both models.     

Polar ionosphere and geomagnetic response for the flux transfer events: A case study

On April 15th 2003, Cluster crossed the dayside magnetopause boundary and observed a series flux transfer events (FTEs) during the interval from 0630 to 0730 UT. During this period, the interplanetary magnetic field (IMF) showed a negative z component and a positive y component. Simultaneous corresponding transient plasma flows were identified in the near-conjugate polar ionosphere by the CUTLASS Finland HF radar, and the geomagnetic field disturbances were observed by the IMAGE ground-based magnetometers. By combing these data and applying the Cooling model, we show that the transient plasma flows and the geomagnetic field disturbances are closely related to the dayside FTEs.     

Generation mechanisms of the ELF-ULF waves related to the flux transfer events

Satellite observations near the magnetopause and within the magnetosheath revealed the existence of some structures characterised by specific magnetic field and plasma signatures. They have been called “Flux Transfer Events”. One of the models of FTEs is a reconnected fluxtube, extending from the inner magnetosphere into the magnetosheath. ELF-ULF waves are often observed in together with other FTE's signatures. Wideband emissions are associated with the boundaries of FTEs with characteristic maxima at lower hybrid and ion-cyclotron frequencies. They provide a tool for better timing of the events. These emissions might also be related to the reconnection process. Observations of FTE's by Prognoz-8 satellite are presented in our paper. Wave signatures of the FTEs are described. Various mechanisms of generation of the emissions by instabilities depending on local plasma conditions are discussed along with non-local aspects of such waves. Numerical solutions of the dispersion equation for the typical conditions in FTEs are presented. Possible relation of these waves to the reconnection process are discussed.     

质子地磁垂直截止刚度在2004年11月7-8日两个时刻处的数值模拟

利用单粒子轨道理论, 在T04和IGRF2000磁场模式建立的磁层模型基础上, 应用四阶龙格库塔方法, 模拟计算宇宙线带电质子在地球磁层中的运动以及沿天顶方向入射到达地球磁场内的某一特定位置, 得到了距地球表面450km高度处全球质子垂直截止刚度在2004年11月7-8日中两个时刻的计算值. 根据计算得到的684个不同位置处的截止刚度值, 分析了同一时刻地磁垂直截止刚度随磁纬和磁经的变化. 与此同时, 模拟计算了相同时刻下磁纬为30°, 磁经为0°, 45°, 90°, 135°, 180°, 225°, 270°, 315°处, 地磁有效垂直截止刚度随高度的变化情况. 结果表明, 在磁纬30°处, 其质子有效垂直截止刚度随距离地心高度的变化沿向阳处向磁尾处方向, 变化越来越缓慢.      

太阳风状态参数的变化对地球磁鞘中磁场起伏特性的影响

本文利用MHD激波跳跃条件的精确解,具体讨论了行星际背景太阳风状态参数Alfvén马赫数M₁、等离子体β₁参数和磁场角θ₁的变化对地球磁鞘区中磁场起伏特性及其分布的影响.主要结果是:马赫数M₁的变化主要控制磁场起伏特性:放大倍数、相对起伏和各向异性程度的水准高低.磁场角θ₁的变化控制磁场起伏的空间分布特性.等离子体β₁参数的变化,不引起磁场起伏特性的明显变化(对于实际经常发生的情况M₁ 8而言).M₁、θ₁是强控制参数,而β₁是弱控制参数;磁鞘区磁场起伏对太阳风状态参数的变化响应呈现明显的晨-昏不对称性(行星际磁场位于黄道面时),响应主要发生在晨侧.晨侧的磁场起伏(或湍动)相当活跃,而昏侧相当稳定;磁鞘中不同地点磁场起伏特性对太阳风状态参数M₁、β₁的变化响应有大致相同的形式,而对其磁场角度θ₁的变化却有迥然不同的形式.      

Small scale solar wind ion flux and IMF quasi-harmonical structures in the earth''s foreshock: INTERBALL-1 and MAGION-4 observations

High time resolution data obtained by VDP and FM-31 instruments onboard INTERBALL-1 spacecraft were used to study the small-scale correlation between solar wind ion flux and magnetic field magnitude in the Earth's foreshock. Correlated quasi-harmonic structures were found simultaneously in ion flux and magnetic field data. Statistical analysis of these structures was done and a summary of obtained results is presented. Multipoint observations by INTERBALL-1 and MAGION-4 were used to estimate spatial correlation of small quasi-harmonic structures.     

Fractal Structure of the Heliospheric Plasma Sheet at the Earth''''s Orbit

An analysis of the data from the Wind and IMP-8 spacecraft revealed that a slow solar wind, flowing in the heliospheric plasma sheet, represents a set of magnetic tubes with plasma of increased density (N > 10cm-3 at the Earth's orbit). They have a fine structure at several spatial scales (fractality), from 2°-3°(at the Earth's orbit, it is equivalent to 3.6-5.4h, or (5.4-8.0)×106km) to the minimum about 0.025°, i.e. the angular size of the nested tubes is changed nearly by two orders of magnitude. The magnetic tubes at each observed spatial scale are diamagnetic, i.e. their surface sustains a flow of diamagnetic (or drift) current that decreases the magnetic field within the tube itself and increases it outside the tube. Furthermore, the value of β= 8π[N(Te + Tp)]/B2 within the tube exceeds the value of βoutside the tube. In many cases total pressure P = N(Te + Tp) + B2/8πis almost constant within and outside the tubes at any one of the aforementioned scales.     

Ion dynamics of magnetic reconnection in the magnetotail

We discuss the kinetic processes of plasma thermalization, acceleration, and mixing in magnetic reconnection. Non-Maxwellian, gyrotropic ion distribution functions such as anisotropic ion beams in the plasma sheet boundary layer (PSBL) and counter-streaming ions (CSIs) in the plasma sheet are often observed during a plasmoid passage of a satellite in the Earth's magnetotail. Non-gyrotropic ion distribution functions are also sometimes observed just after the passage of the plasmoid. We study the behavior of non-Maxwellian ion distribution functions observed by GEOTAIL. We further study theoretically the ion dynamics by using a particle-in-cell simulation, and discuss the role of non-Maxwellian distribution functions in magnetic reconnection.