能量粒子进入磁层的数值模拟研究

来自行星际的能量粒子进入磁层的过程一直是磁层研究的热点,也是空间天气研究关注的焦点之一,而以往的工作大都集中在讨论不同行星际条件下粒子进入磁层的统计规律.本文在T89磁层模式的基础上,建立了太阳能量粒子进入磁层运动的程序,计算了几种不同能量的质子从不同方位角入射到磁层的运动轨迹.模拟结果表明,能量粒子沿着磁力线方向才可能穿越磁层到达地球表面,越偏离这个方向,则越早被反弹.能量越高的粒子进入到地球磁层上空的角度范围越大,但仍然只有沿着磁力线入射的粒子才能到达地球表面.这些结果与理论预言是一致的.      

来自电离层的尾向流对近地磁场位形的影响

探测一号(TC-1)卫星的观测结果表明,尾向流能够拉伸近地磁尾的磁力线,从而导致磁场位形改变.尾向流具有垂直于磁场的速度分量,这种垂直磁场的速度分量会导致磁力线向尾向拉伸,磁场的结构由偶极型变为非偶极型.而随尾向流的终止,地向流的出现,磁场的结构由非偶极型变为偶极型,磁力线恢复原状.另外在磁场的结构由非偶极型变为偶极型的过程中,伴随磁能的释放热离子温度的迅速升高,温度由各向同性逐渐趋向各向异性.其次,观测结果显示来自电离层的尾向流对磁场By分量有重要的影响,能够引起磁场By分量的显著增强.上述分析结果表明来自电离层的尾向流对近地磁尾动力学过程有着重要的影响.      

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     

电离层电场半年变化的模拟研究

利用一个中低纬电离层电场理论模式，模拟太阳活动低年、地磁活动平静情况下，中低纬地区电离层电场全年的变化情况．结果显示，单独计算南、北半球(去耦合)得到电离层电场具有明显的周年变化特征，且两个半球电场的相位相差半年左右．而同时计算南、北半球(计及耦合)时，电场则是以半年变化为主，且这种半年变化的幅度和相位随地方时和地磁纬度有变化．提出一个南、北半球耦合电路的简单物理模型给予解释．电路模型初步计算发现，即使两个半球电离层电场分别具有周年变化，只要它们变化的幅度相当，相位相差半年左右，由于跨越南北半球磁力线的耦合效果，耦合的电离层电场会产生明显的半年变化分量．由于缺少连续的电离层电场观测资料，将模拟结果与Richmond基于非相干散射雷达数据建立的经验模式(ISR Model)相比较，结果符合较好．     

火星空间磁场结构特征

在火星空间模拟的单流体MHD模型的基础上, 研究了火星空间磁场结构及火星表面局部磁异常对磁场结构的影响. 在太阳风与火星相互作用的过程中, 形成弓激波和磁堆积区, 行星际磁场弯曲并向两极移动且被拖拽变形, 大部分磁力线从火星两极绕过, 通过火星之后在磁尾留下V字形结构. 火星表面附近局部磁异常也对火星磁场结构产生不可忽视的影响. 不同位置和强度的磁异常与太阳风相互作用形成结构及形态各异的微磁层, 如被拖拽的微磁层和存在开磁力线的微磁层等. 局部磁异常改变了近火磁场结构, 并可能改变等离子体的分布.      

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.      

基于Cluster观测的磁尾场向电流在南北半球投影位置的分布

利用Cluster四颗卫星的磁场探测数据计算磁尾场向电流并投影到极区电离层,研究其投影位置在南北半球的分布规律,统计过程中去除了强磁暴（磁暴主相Dst<–100 nT）期间的场向电流事件。结果显示:磁尾场向电流事件在极区投影位置的纬度分布具有明显的南北半球不对称性,北半球为单峰结构,南半球为双峰结构。在北半球投影到较低纬度（<64°）的场向电流事件数目明显多于南半球,并且所能达到的最低纬度更低;在南半球投影到较高纬度（>74°）的场向电流事件数目明显多于北半球,并且所能达到的最高纬度更高。地磁平静条件下（|AL|<100 nT）,磁尾场向电流密度随磁地方时（MLT）呈递增趋势,这一结果与低高度卫星在极区对I区场向电流的探测结果符合很好。研究结果表明,磁尾场向电流投影位置的纬度分布呈现出明显的南北不对称性,这与南北半球磁尾场向电流的空间分布以及磁层中磁场结构具有密切关系。      

MMS星座对磁层顶磁通量绳内离子惯性尺度结构的观测

利用MMS观测数据,对磁层顶通量绳内离子惯性尺度（d_i）的结构进行分析研究.结果发现,许多不同尺度（约1d_i至数十d_i）的通量绳内都存在具有d_i尺度的电流 j _m,其方向在磁层顶局地坐标系的-M方向,即与磁层顶查普曼-费拉罗电流同向,由电子在+M方向的运动（ v _em）携带.这些电流结构具有以下特征:磁鞘与磁层成分混合,磁场为开放形态;离子去磁化,电子与磁场冻结;N方向（即垂直于磁层顶电流片方向）的电场 E _n显著增大,幅度达到约20mV·m-1,并伴有明显的尖峰状起伏,该增强和尖峰状起伏的电场对应于霍尔电场.分析表明,电流、电子与离子运动的偏离以及霍尔电场之间遵从广义欧姆定律,三者密切关联.进一步对磁层顶磁重联的探测数据进行分析发现,在很多重联区内也存在与通量绳内相似的结构,其尺度约为d_i量级,其中霍尔电场 E _N、电流 j _M和电子速度 v _eM均与通量绳内对应物理量的方向相同且幅度相近.基于上述观测事实,采用经典FTE通量绳模型,对通量绳内电流、电子运动和霍尔电场的起源进行了初步探讨,认为其来源于磁层顶无碰撞磁重联区内的相应结构,并且后者在离子尺度通量绳的形成过程中起到重要作用.      

等离子体鞘层效应对磁层探测电场仪设计的影响

在空间环境探测中,卫星与等离子体的相互作用会改变背景环境的粒子和电位的分布,从而影响探测器对空间电场的测量.为了给磁层卫星电场探测仪器的研制和设计提供参考,本文以中国未来的磁层电离层探测为背景,针对不同轨道高度的等离子体环境,利用SPIS (Spacecraft Plasma Interaction Software)...     

1993年9月12—14日磁暴期间磁层—电离层耦合分析

采用具有明确物理意义的多个地磁指数，以及地面台站链观测的地磁和电离层参数，对一次典型磁暴期内从极光区到赤道附近电离层电流、电场演化发展的耦合过程作了具体分析．结果表明，地磁指数和观测参数能较好地说明磁层－电离层耦合理论结果的主要特征．     

磁尾粒子在晨昏电场作用下的散射与沉降

我们认为,在沉降粒子的形成中,磁尾粒子的散射是极其重要的。本文从粒子的轨道理论人手,通过对近900条粒子轨道的具体计算,研究了磁尾粒子在晨昏电场作用下的投掷角变化。计算结果清楚地显示出了磁尾粒子在晨昏电场的作用下,经历着明显的散射过程。运动经过非小扰动区的磁尾粒子在非小扰动区内经多次反射,磁矩不再是不变的,从而投掷角改变,使得一个原在磁尾为各向同性的投掷角分布,在粒子运动到远离中性线的近地区域时改变成为一个近麦氏分布。我们还研究了这些粒子的空间经历,发现这些离开磁尾进入近地区域的粒子在发生散射的同时还发生了空间分离——晨昏分离、纬向分离以及质子和电子之间的相对空间分离,给出了清晰的粒子沉降图象。      

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。      

Laboratory experiments and space phenomena

Two types of convection were observed in the laboratory model of the magnetosphere: viscous convection and convection due to field lines common to both the magnetosphere and artificial solar wind. With a southward field component in the solar wind, convection from the Sun is observed in the polar cap, while with a large northward component, convection is directed toward the Sun. Merging of the field lines occurs in the cleft. With the southward component, a visor appears in front of the magnetosphere boundary. The decay of the visor into small magnetic structure is observed. The formation of an induced magnetosphere with a magnetic tail is shown in the experiments of the simulated conditions near non-magnetic bodies with a plasma shell (Venus, comets). A combined induced-intrinsic magnetosphere also was investigated.     

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.      

极区电离层不均匀结构与增亮极光薄层

磁层亚暴期间随着电子沉降到极区产生极光,一个磁层电场也投射到极区电离层,在电场会聚作用下形成不均匀离子薄层。本文解出稳态动力学平衡E_s层,并把它和反常的极光增亮薄层联系起来,与观测结果比较。      

行星际激波导致的磁尾等离子片中ULF波动事件

磁层中的超低频（ULF）波动在太阳风和磁层之间的能量输运过程中具有重要作用.ULF波动主要发生在内磁层,且内磁层中ULF波动影响粒子的加速及沉降,而在夜侧磁层尤其是磁尾等离子片中观测到的ULF波动比较少.基于中国自主磁层探测卫星TC-1的观测数据,发现了两例行星际激波导致的磁尾中心等离子片中ULF波动事件,并发现这两例ULF事例都包含很强的环向模驻波分量,与以往THEMIS卫星报道的同类事件观测特征相符.根据ULF波的观测特征,分析了这两例ULF波动的可能触发机制.研究结果有助于深入理解磁层对行星际激波的全球响应.      

磁尾的平衡结构

考虑到等离子体片和等离子体幔的存在,我们从Vlasov方程出发得出一个自洽的二维磁尾平衡模式。在这个模式中,假设等离子体处于平衡状态,压强是各向同性的,还假设沿磁尾方向各种参数的变化率较垂直于等离子体片方向的变化率要小得多。晨昏方向的变化则完全忽略不计。这个模式体现出磁尾的一些主要结构要素:(ⅰ)高温等离子体组成的等离子片;(ⅱ)等离子体片中的闭合磁力线;(ⅲ)等离子体极其稀薄的磁尾瓣;(ⅳ)等离子体幔;(ⅴ)磁层顶;(ⅵ)张开的磁尾。讨论了等离子体幔的存在对磁尾平衡结构的影响,结论是等离子体幔的存在使磁尾的形状更趋于尾形,于是,至少部分克服了Birn模式的困难。      

磁扰日向阳面对流电场转向区位置的晨昏不对称性(STARE、TRIAD、AE-C观测综合分析)

本文通过STARE观测的晨不连续性及其与TRIAD观测的场向电流分界区、AE-C卫星观测的电场转向区位置的比较,提出了在高扰日向阳面对流电场转向区位置存在着晨不对称性——晨半面所处纬度低于昏半面.该现象间接说明向阳面磁层边界层也存在某种不对称性.并在观测基础上对可造成该不对称性的物理因子进行了探讨,认为行星际磁场螺线结构对重连区位置的影响及其产生的激波结构的晨昏不对称性很可能与本文中讨论的现象有一定联系.      

广义Digisonde漂移分析原理

本文给出一种广义Ｄｉｇｉｓｏｎｄｅ漂移分析，取消了ＤＤＡ的假设限制，使Ｄｉｇｉｓｏｎｄｅ漂称测量能应用于更为复杂的运动形式，如电离层研究中的剪切、辐散或辐辏等运动形式。文中阐述了ＧＤＤＡ的原理并给出一些模拟实验结果。