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.      

宇宙线北南各向异性的共转变化

本文统计分析了1971—1975年期间宇宙线北南各向异性及相关的太阳风和行星际磁场在卡林顿自转周中的变化,即共转变化.结果表明宇宙线北南各向异性与行星际磁场分量Bx、By有非常好的相关,相关系数高达0.8以上.利用地面观测的宇宙线各向异性有可能推求行星际磁场的极性.     

异常SSC事件的行星际原因分析

磁暴急始(SSC)是强烈太阳风动压或行星际激波与磁层相互作用的结果.通常SSC事件的上升时间在4～10 min,我们把上升时间超过15 min的SSC事件称为异常SSC事件.本文利用地磁SYM-H指数鉴别出了5个有地磁观测历史以来发生的上升时间大于15 min的异常SSC事件,并利用Wind,ACE,IMP 8,Goes,Geotail多点卫星太阳风观测数据和地磁观测数据,分析了异常SSC事件的行星际原因.结果表明,异常SSC事件通常都是强烈行星际扰动引起的,5个异常SSC事件有4个对应于行星际激波,有3个对应于多步太阳风动压跃变,有1个对应于行星际电场大幅度变化;由行星际激波产生的异常SSC事件,其上升时间依赖于行星际激波的方向,方向相对于日地连线越偏,上升时间越长;异常SSC事件上升时间与行星际磁场方向关系不明显.      

基于MHD模拟数据的正午午夜子午面磁层顶位形研究

通过分析太阳风-磁层-电离层系统的三维全球磁流体力学(MHD)模型的计算数据, 给出了正午-午夜子午面磁层顶位形的定量模型. 分析表明, 正午-午夜子午面磁层顶位形可以用文献[3]提出的基于卫星观测数据的、描述赤道面磁层顶位形的函数来描述. 与赤道面磁层顶不同, 正午-午夜子午面磁层顶位形更为复杂. 在忽略极尖区(cusp)的简化条件下, 磁层顶位形仍需利用两条曲线来拟合. 太阳风动压Dp与行星际磁场分量Bz是控制磁层顶位形的主要因素. 行星际磁场为北向时, 磁场增强, 日下点距离r0增大; 行星际磁场为南向时, 磁场增强, 磁层顶日下点距离r0减小. 整体而言, 行星际磁场分量Bz由南转北时, r0增大, 且Bz对r0的影响减弱. 太阳风动压Dp是控制磁层顶日下点的主要因素, Dp增大, r0减小. 磁层顶位形的另一个参数磁层顶磁尾张角α, 随着行星际磁场南向分量增强而增大, 即磁层顶张开程度更加显著, 更多的磁通量由向阳侧传输到夜侧; Dp增大, α略增大, 这意味着Dp对磁通量由日侧向夜侧的传输也有一定的贡献.      

磁云边界层中的复合重联喷流观测分析

太阳风中的磁场重联通常与行星际日冕物质抛射有关.本文分析了1995年10月18日WIND飞船观测到的一例磁云前边界层中的复合重联喷流事件.该复合排空区由相邻两个不同方向的喷流构成，这两个喷流分别经过Walén关系的证认，符合行星际磁场重联排空区等离子体喷流的特征.结果表明，在磁云前端可能存在众多重联点，从而将磁云本体的磁场剥离，形成比单一重联喷流区更复杂的三维边界层结构.磁云边界层中可能发生多点多次重联，从而不表现出单点重联的排空区特征，这可能是行星际磁场重联排空区较少在ICME前端被观测到的原因之一.      

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.      

行星际起伏场通过激波后的变化

本文采用磁流体平面斜激波模型探讨了行星际起伏场(包括磁场和等离子体速度)通过激波后的变化。得到的近似解析解表明:由本模型所得到的结果能较好地解释人们[1,2]对行星际、磁鞘层观测资料进行统计研究所得到的认识。      

1998年10月18——-19日磁暴主相的行星际源分析

采用高时间分辨率的地磁指数SYM-H, 同时考虑日地连线引力平衡点(L1点)太阳风地磁效应的滞后性, 精确分析了1998年10月18---19日大磁暴主相的行星际源. 分析结果表明, 磁暴主相的行星际源仅为行星际激波和行星际日冕物质抛射之间的太阳风(Sheath), 磁云对磁暴主相没有贡献. 这个磁暴事例的研究表明, 行星际磁场南向分量与太阳风动压的乘积是影响磁暴主相发展的关键参数.      

大尺度场向电流的控制因素

将ＩＳＥＥ－１和ＩＳＥＥ－２飞般测量的地球内磁层场向电流作为行星际磁场与极区地磁活动水平（由ＡＬ表征）的函数。发现大约７５％的场向电流发生在行星际磁场南向时,其余２５％发生在行星际磁场由南向转到北向的半小时内。而且,发生在ＡＬ〈－１５０ｎＴ的场向电流也大约是７５％。场向电流的强度和密度随行星际磁场南向分量及ＡＬ的负值增加而增大。由此而得出结论,内磁层场向电流的产生主要是由行星际磁场控制的,是太阳风     

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.      

磁尾等离子体团型结构的数值模拟

考虑横越磁尾不同区域的数密度与离子温度的分布特点,取宁静磁尾温度、密度呈同样形态的非均匀分布,作为模拟计算的初态,对初始By为不同分布的3个算例作模拟计算．数值结果展示了3类磁结构的演化特征．考察磁尾中性片一个给定点的磁场变化,做出3个算例典型事件的磁场矢端图．它们从另一个侧面展示了磁尾通量绳型等离子体团、具有复杂闭合磁力线位形类似于“闭合环”的等离子体团,以及二维“磁岛”型等离子体团的特点．观测表明,多数磁尾等离子体团为具有强核心场的通量绳结构．通过跟踪一个通量绳型等离子体团的发展,作出等离子体团各方向速度与磁场强度随x演化的曲线．其中,vx与磁场强度|B|在近尾至中尾的计算值与Geotail卫星资料统计分析结果大致相符．此外,与Jin等取初始温度为均匀分布的计算结果相比,本文给出的通量绳型等离子体团,其内温度较高、密度较低,与资料分析结果的偏离也随之减小．     

Orientations of LASCO Halo CMEs and their connection to the flux rope structure of interplanetary CMEs

Coronal mass ejections (CMEs) observed near the Sun via LASCO coronographic imaging are the most important solar drivers of geomagnetic storms. ICMEs, their interplanetary, near-Earth counterparts, can be detected in situ, for example, by the Wind and ACE spacecraft. An ICME usually exhibits a complex structure that very often includes a magnetic cloud (MC). They can be commonly modelled as magnetic flux ropes and there is observational evidence to expect that the orientation of a halo CME elongation corresponds to the orientation of the flux rope. In this study, we compare orientations of elongated CME halos and the corresponding MCs, measured by Wind and ACE spacecraft. We characterize the MC structures by using the Grad–Shafranov reconstruction technique and three MC fitting methods to obtain their axis directions. The CME tilt angles and MC fitted axis angles were compared without taking into account handedness of the underlying flux rope field and the polarity of its axial field. We report that for about 64% of CME–MC events, we found a good correspondence between the orientation angles implying that for the majority of interplanetary ejecta their orientations do not change significantly (less than 45 deg rotation) while travelling from the Sun to the near-Earth environment.     

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.      

磁云膨胀速度对无力场磁通量管模型拟合结果的影响

为了考察磁云膨胀速度对磁通量管模型拟合结果的影响,选取了1998-2003年中15次引起了较大地磁暴(Dstmin＜-50 nT)的典型磁云事件进行了拟合.与未考虑膨胀速度模型的拟合结果比较,膨胀速度的引入能较好地改善拟合结果,与观测数据的偏差最大能减小30%,并且拟合所得的膨胀速度基本符合统计规律.这个结果说明膨胀的磁通量管模型能更好地反映实际观测的磁云.同时,初步分析了考虑膨胀速度前后磁云各拟合参数的变化.      

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．     

行星际磁场北向时磁层顶区磁场重联的全球模式

在对背阳面磁层顶区局域磁场重联模拟的基础上提出了一个行星际磁场北向时磁层顶磁场重联的全球模式。行星际磁场北向时碰层顶磁场重联导致近地尾瓣的能量被输送到远磁尾,太阳风能量不在磁尾储存,向阳面磁层顶变厚,磁层受到一系列扰动。      

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.      

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．     

The characteristics of sharp (small-scale) boundaries of solar wind plasma and magnetic field structures

We investigate properties of large (>20%) and sharp (<10 min) solar wind ion flux changes using INTERBALL-1 and WIND plasma and magnetic field measurements from 1996 to 1999. These ion flux changes are the boundaries of small-scale and middle-scale solar wind structures. We describe the behavior of the solar wind velocity, temperature and interplanetary magnetic field (IMF) during these sudden flux changes. Many of the largest ion flux changes occur during periods when the solar wind velocity is nearly constant, so these are mainly plasma density changes. The IMF magnitude and direction changes at these events can be either large or small. For about 55% of the ion flux changes, the sum of the thermal and magnetic pressure are in balance across the boundary. In many of the other cases, the thermal pressure change is significantly more than the magnetic pressure change. We also attempted to classify the types of discontinuities observed.