磁层顶穿越事件自动识别算法

磁层顶是太阳风与磁层进行质量、动量、能量交换的关键区域.磁层顶穿越事件(MCEs)可通过对卫星探测到的粒子能谱和磁场数据图进行人工分析的方式来识别.因太阳风动压和行星际磁场的易变性,位于磁层顶附近的卫星经过长期观测可能会经历成千上万次的磁层顶穿越.人工分析的方法工作量巨大,而且识别速度慢.本文发展了一种新的日下点附近M...     

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。      

磁层顶的Kelvin-Helmholtz不稳定性(III)可压缩不稳定波的能量和动量输运

本文在假定磁层顶为切向间断面的近似下分析了可压缩K-H不稳定波在磁层顶两侧的能量分配及能量和动量输运,讨论了相应的物理机制.计算表明,K-H不稳定性确实能在太阳风-磁层耦合中起重要作用.      

太阳风向磁层输入电磁能量研究

利用全球磁流体力学（MHD）模拟结果,通过确立包含磁层顶的太阳风流线内边界来识别三维磁层顶位形,并以极尖区位置作为磁层顶日侧与夜侧的分界线,在此基础上定量研究了不同条件下穿过磁层顶向磁层内输入的电磁能量. 研究发现,磁层顶的能量传输与太阳风条件密切相关,磁重联是控制电磁能量传输的重要机制. 结果表明,当IMF（行星际磁场）南向时,极尖区后方的磁尾附近存在电磁能输入最大值,当IMF北向时,电磁能输入最大值发生在极尖区附近;南向IMF条件下,在IMF强度增大或太阳风密度增大时,磁层顶电磁能传输的电磁能量比北向IMF条件时增加更显著. 太阳风通过调节磁层顶面积间接影响到磁层顶能量传输大小. 研究还发现,北向IMF与南向IMF条件下穿过磁层顶的电磁能输入的比值范围约为10%～30%,此比值一定程度上反映了北、南方向IMF与地磁场磁重联效率的比值.      

磁层顶低混杂漂移不稳定性及等离子体幔、磁层对流的形成机制

磁层顶低混杂漂移不稳定性的理论和观测使我们可以提出一个新的磁层对流驱动模式,为了解释磁层对流的形成、磁层顶厚度等一系列磁层现象,已经提出了三种磁层模式,Dunge提出互联模式,认为行星际磁场磁力线与地磁场磁力线在磁层顶前部相互联接起来,磁层顶为一旋转间断面,太阳风粒子可直接通过磁层顶进入磁层内,虽然这一     

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．     

磁层顶附近流场剪切度的确定

磁层顶附近的流场剪切度与磁层顶附近能量转换的程度有关.很多磁层顶数值模拟用到流场剪切度这个输入参数,但一直是假设的.本文利用Cluster多卫星同时观测数据及独特的时空分辨功能,采用线性插值和重心坐标的方法确定了磁层顶附近流场的剪切度.通过对晨侧和昏侧磁层顶及附近磁层磁鞘流场剪切度的真实空间分布的研究结果表明,在平静的太阳风条件和地磁条件下磁层顶附近流场剪切度有时也很大,可达每百公里330 km/s的相对速度差.但在很多情况下流场是弱剪切的,在上千公里的距离上只有每秒几十公里的相对速度差.本文确定流场剪切度的方法可以推广用来确定任一位置的流场剪切度.      

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.      

磁鞘快速流引起的磁层顶凹陷事件

最近研究表叽磁层顶凹陷对磁层-电离层耦合具有重要作用.但是,磁层顶凹陷现象的确认需要多颗卫星的联合观测,目前为止报道的磁层顶凹陷事例非常少.本文利用THEMIS 5颗卫星的联合观测结果,分析了一例由磁鞘快速流引起的磁层顶凹陷事件.2007年7月21日10:00UT-10:45UT,位于日下点磁层顶附近的THEMIS卫星...     

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。      

磁层顶位置的卫星观测

本文用了自1963年到1979年卫星穿越磁层顶的1024个观测资料计算了向阳侧磁层顶椭球面的参数。企图从这些资料得出星际磁场和太阳风热压强对向阳侧磁层顶位置和形状的影响大小。但数值计算和理论分析都表明,目前所具有的观测资料的精度不足以获得星际磁场和太阳风热压强影响的数值。本文分析了各种因素所造成的在计算该椭球面参数时的不确定性。进而提出了对进一步工作的建议。该椭球面的平均大小、形状和方位的观测值与理论预计值是非常一致的。      

磁层顶剪切磁流体非线性性态的谱截断法研究Ⅰ.流场扰动对磁场的作用

本文用谱截断方法研究了磁层顶剪切磁流体的非线性性态。结果表明:流场扰动会使系统出现剪切不稳定(K-H不稳定)性;系统具有对初值的敏感性,这是导致湍动而使磁层顶动力学性态难以预测的根本原因;流场粘性及流场与磁场的相互作用使能量与动量在流场与磁场中转化和传输;外界能流通过粘性与耦合作用可周而复始地在系统中传递。      

磁层顶极尖区的理论探讨

本文解出了三维磁层顶的Chapman-Ferraro模型。证明极尖区有一条极尖线,长约40°。磁尖线上磁层顶呈尖角。磁层磁力线由极尖线上各点通往磁层顶。通常所谓中性点,足极尖线在日地子午面的截点。      

高纬磁层顶尾部边界层的离子流剪切不稳定性

研究了高纬磁层顶层部边界层在非均匀磁场条件下的离子流剪切不稳定性，由于考虑了尾向电流，我们发现离子流剪切不稳定性的激发与扰动波长有关，并得到了激发该不稳定性的准临界波长的表达式，对于磁层顶存在的波长为地球半径量级的表面波扰动，离子流剪切不稳定性倾向于发生在磁层顶边界层的内边界，沿磁层顶外边界传播的稳定的表面波和其内边界的离子流剪切不稳定性同时存在，这将有助于解释磁鞘太阳与动量持续不断地向地磁层的传输。     

远磁尾磁层顶位形的偏转

利用WIND和ARTEMIS卫星观测数据，分析远磁尾磁层顶对行星际和太阳风变化的响应，尤其是偏离日地连线的太阳风速度改变对远磁尾磁层顶的影响.研究发现在2011年9月13日的事件中，P2卫星观测到高速且高密度的磁鞘流.利用最小变量法进行分析发现，磁层顶沿着偏离日地连线的太阳风速度方向发生偏转.根据相似三角形定理，推断出本次事件中磁层顶在y方向和z方向上的偏转幅度分别达到10R_e和6R_e.P1和P2卫星的相对位置也证实了这一观点.因此，偏离日地连线的太阳风速度对远磁尾磁层顶的位形影响很大.研究结果可为建立包含太阳风速度v_y和v_z效应的磁层顶模型提供观测证据.