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.      

电导率分布、对流电场转向区与场向电流形态(模式分析)

本文利用一些简单模式讨论对流转向区形态、电离层电导率的分布变化对场向电流形态的影响。结果表明,一区场向电流是最基本的,与对流转向区直接相联。二区场向电流的产生不仅与对流电场的屏蔽相联,也与电导率变化有关。电导率的变化还可产生一区电流高纬侧的零区电流和二区电流低纬侧的反向电流。此外,剪切转向区和旋转转向区所对应的场向电流分布也有所不同。本文结果有助于理解观测的场向电流之复杂形态,也可以解释同样的行星际磁场状况下,场向电流的不同变化。      

用场向电流的观测结果研究高纬电离层电场

本文从Triad卫星观测到的场向电流日变化的统计结果出发, 利用场向电流日变化的付里叶级数展开和简单模式法分别求出电导率均匀时和极光带电导率增强时高纬电离层电位的分析解.结果表明, 电场集中在极光区是由2区场向电流引起的.在本文所用的场向电流分布形式下, 加上Pederson电导率的升高。极光区Hall电导率的增大反而有助于电场向中纬穿透.|AL|≥100γ时, 场向电流分布对对流圈位置西向旋转起一定作用, 但极光带Hall电导率的变化是造成大角度旋转的主要原因.Perdson电导率的增大, 对旋转角无影响.结果还表明, 在不考虑电导率日夜不均匀时, 由于场向电流复杂的日变化, 也可出现对流圈的晨昏不对称性.以上的电场分布形态, 与观测的电场形态基本相符。      

用STARE-TRIAD联合观测对磁层-电离层不完全耦合的实例研究

本文用STARE-TRIAD联合观测的一个实例研究磁层-电离层不完全耦合现象.实例中观测的电场、场向电流和推出的Pederson电导率在Harang不连续区的分布与用Kan-Lee磁层-电离层不完全耦合理论的预测值符合得很好.这支持了该理论所说的在电等位U-位形低纬侧有S-位形存在以及与之相应的电离层电导率的第二增强区和电场凹陷区等现象.STARE的其他观测事实说明这些现象具有一定的普遍意义.      

电离层电场对环电流变化响应的时延

本文讨论了强磁暴期间磁层环电流能量变化率与电离层电场变化之间的联系.STARE和SABRE雷达资料表明,电离层对环电流变化响应的主要特点是:(1)在磁地方时午后区,响应的时延达最大(约1—2小时),场强以指数形式增加;在其它时区内,无系统的增强过程,仅观测到较大的、有明显涨落的电场值.(2)STARE(70.2°N)和SABRE(65.8°N)测到的电场变化往往具有相反的趋势.(3)在STARE视场内,环电流能量变化达极大后,较低纬(70.2°N)上的电场值经常大于较高纬(71.8°N)上的值.分析结果表明,磁暴期间磁层-电离层耦合过程中,环电流起着重要作用.      

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。      

由磁层整体电场模型得到的场向电流分布

本文概述了用GEOS-2号卫星等实测资料所修正的Volland大尺度对流电场模型, 并用该模型来计算场向电流.文中给出了由势函数计算场向电流的表达式, 并对弱磁活动下的电流分布进行了计算.结果与Iijima和Potemra的观测较吻合.这说明修正后的Volland电场模型是合理的, 从而进一步肯定了由GEOS-2号的观测结果所导出的若干磁层动力学特性的可靠性.      

利用Cluster资料对经验及抛物面磁场模式性能的研究

Cluster的观测区包括太阳风与磁层相互作用的关键区域.本文将Tsyganenko经验模式T96,T01及Alexeev抛物面模式A2000的模拟结果与Cluster的磁场资料进行了详细对比,研究了两种模式对于近地点分别位于日侧及夜侧磁层的不同Cluster轨道上磁场的模拟性能.结果表明: (1)Cluster近地点附近轨道上的磁场主要受Birkland电流影响,T96,T01能很好地估计电流系位置,但对其强度模拟有所偏差,由于A2000不包含Ⅱ区场向电流,因此模拟不出近地点附近的磁场扰动; (2)对于0＞Dst＞-100 nT情况,T96与T01性能相当,但由于缺少部分环电流,T96对于日侧昏线附近的磁场模拟偏差大; (3)T96与T01对夜侧近地点轨道上磁场模拟的均方根相对误差为40%左右,受极尖区电流影响,日侧时误差上升到50%,而A2000均方根相对误差明显偏大,均为58%左右.     

非径向地磁力线对计算电离层电场及三维电流系的部分影响

本文对Kamide等人的由地面磁变化计算电离层电场、电流及场向电流的方法做了改进。给出了计入非径向地磁力线对电离层电导率影响下的电位φ的二阶偏微分方程。通过实例计算考查了由地面磁资料计算电离层电场、电流及场向电流中地磁力线非径向性的部分效应。结果表明,即使在高纬极光区,这部分效应也是重要的、不能忽视的;此外,计入这一效应使得计算量明显减少。      

环电流区能量离子分布特性研究

为了考察环电流区离子的分布情况,采用环电流粒子理论模式,对环电流中10-100 keV的离子进行了模拟研究.这个模式能够根据近地注入区外边界处离子的分布函数得出磁暴主相期间环电流中的主要成分H+,O+,He+3种离子的通量分布.计算结果分析表明,在其他条件相同的情况下,不同种类离子的通量分布的形态结构十分相似.电场强度对环电流离子通量的空间分布具有决定性的作用;晨昏电场强度越强,离子的通量越高;晨昏电场越强,环电流离子的内边界越接近地球.10keV的离子在电场相当弱的时候还是存在着连续的通量分布,但他们的形态和结构随着电场的变化有明显的变化.电场很弱时,离子分布主要集中于内外两个环带,离子通量在晨侧的更多一些,离子通量的最大值基本上是在比较靠近地球的环带上;随着电场的增强,离子分布的内外两个环带逐步合并,离子的分布逐渐靠近地球,通量分布的最大值也移动到了昏侧.环电流离子投掷角分布具有各向异性,投掷角在90°左右的时候,离子通量能达到最大值.      

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.     

地球磁尾的电场模式

地球磁层中的电场是磁层等离子体运动的主要驱动力。目前常用的磁层电场为均匀晨昏电场和投影电场。本文假定磁力线为电场的等位线，地球电离层电场看做磁层电场沿磁力线在电离层的投影。利用Tsyganenko磁场模式（T89），沿磁力线反电离层电场投影到磁尾，得到了一个新的磁层电场模式。文中对偶极磁场和T89磁场模式下的投影场作了比较，说明本模式突破了偶极磁场的局限，在磁层有更大的适用范围。     

西藏阿里地区的晴天大气电场特征

晴天大气电场是一个区域大气电场变化的基准场,是大气电场特性的研究基础。对于具有不同地质条件、地理环境和地形特点的区域,晴天大气电场特征具有明显区别。利用在西藏阿里地震台（80.12°E,32.51°N）安装的一台场磨式大气电场仪于2021年10月10日至2021年11月10日观测到的数据,通过对大气电场数据建模与分析,结合气象条件,得到西藏阿里地区23天晴天条件下的平均卡耐基曲线。经过平滑处理去除仪器噪声的波动,得到西藏阿里地区的晴天条件下的标准卡耐基曲线,进而与北京市昌平区十三陵观测台站（116.23°E,40.25°N）同期的晴天大气电场特征进行对比,并对其电场特性差异和原因进行了讨论。研究结果对分析高原地区晴天大气电场特征具有重要的参考价值和科学意义。      

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.     

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．     

基于海南VHF雷达观测的低纬E区场向不规则体研究

利用海南VHF雷达（19.5°N,109.1°E;磁纬8.1°N）在2011年7月15—22日期间的连续观测数据,对东亚低纬3m尺度电离层场向不规则体（FAI）特性进行了分析. 主要结果表明,在整个观测期间,E区场向不规则体几乎每天发生,既可发生于夜间,也可发生于白天,且存在各种不同结构. 根据E区场向不规则体发生的时间及形态,可将其分为三种结构类型：低部连续型结构、上部下降型结构以及白天连续型结构. 这些低纬E区场向不规则体的回波谱特性与赤道电集流（EEJ）和中纬区E区场向不规则体中的2型回波相类似,但其随时间的变化与后两者存在明显差异,且与其他低纬区E区场向不规则体回波存在不同程度的差异.     

极光西向涌浪的二维模式(线性部分)

极光西向涌浪(WTS)被定义为磁层亚暴开始的重要标志, 它是伴随带电粒子沉降过程在极光带电离层出现的特定的极光运动形态.本文给出了极光西向涌浪的二维动力学模式, 亚暴开始, 伴随粒子沉降在电离层产生离子密度梯度(电导率梯度), 在背景电场中激发出低频漂移波, 它的传播给出极光西向涌浪运动的主要特性.      

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。      

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.     

基于佳木斯雷达与北海道东雷达观测的F层不规则体回波发生率

利用佳木斯和北海道东高频相干散射雷达的观测数据，对2018年3月至2019年11月期间两部雷达观测到的F层高度的不规则体回波信号发生率的分布特征进行了对比分析。比较了在地磁平静期（Kp <3）和地磁扰动期（Kp> 3）的不规则体回波发生率变化特征，分析了回波发生率在昏侧与晨侧增强的现象和纬度变化特征。昏侧回波发生率增强现象在45°-64°MLAT范围内普遍存在，其中55°-64°MLAT的回波发生率在地磁扰动期明显增强。而晨侧回波发生率增强现象主要分布在45°-54°MLAT的地区，除了春秋分季外，地磁扰动的增强对其影响较弱。中纬日侧回波发生率受地磁活动影响较小。