行星际磁场B_y分量对磁尾场向电流的控制作用

利用Cluster卫星的磁场探测数据及ACE卫星的行星际磁场(IMF)探测数据,研究了IMF B_y分量(IMF|B_y|10nT)对磁尾等离子体片边界层(PSBL)区场向电流发生率和密度的影响.研究显示:与IMF B_y分量为负时进行比较,IMF B_y分量为正时场向电流的发生率更高,约55.6%;当IMF|B_y|4nT时场向电流发生率占总发生率的77.4%;场向电流发生率随IMF|B_y|的增大而增大,且具有很好的线性相关关系,当IMF B_y分量为正时,相关性更好;场向电流密度也随IMF|B_y|的增大而增大,同样具有很好的线性相关关系,当IMF B_y分量为正时,相关性更好.以上结果表明,IMF B_y分量对磁尾场向电流的产生和变化具有很强的控制作用,并且昏向IMF变化与场向电流变化的关系更加密切.     

行星际磁场时钟角与地球磁层开放磁通的关系

地球磁层开放磁通F_pc是研究磁层动力学过程的重要参数之一,其与日侧和夜侧磁尾的磁场重联具有密切关系. 日侧重联率控制稳定状态下磁层开放磁通的大小,主要受各种太阳风条件的影响. 其中,行星际磁场（IMF）的时钟角是影响日侧重联率的一个重要因素. 通过全球MHD模拟,研究了行星际磁场时钟角θ_c与地球磁层开放磁通F_pc 之间的关系. 结果表明,开放磁通F_pc随着行星际磁场时钟角 θ_c逐渐接近180°（纯南向）而逐渐增加,两者之间的关系近似为F_pc∝sin3/2（θ_c/2）. 由于表征行星际磁场与地球磁场剪切程度的θ_c影响日侧重联率,从而控制F_pc,该关系反映了二者之间的物理联系.      

磁尾等离子体片对流对亚暴的影响

采用2(1/2)维全粒子电磁模拟方法研究了等离子体片中稳态对流及局地爆发高速流对磁层亚暴触发过程的影响.研究发现,地向瞬时局地高速流可触发磁场重联,导致储存于磁尾磁场能量的快速释放.但是,等离子体片稳态对流可抑制磁尾磁场重联过程.此项研究结果表明,局地爆发高速流能够触发磁层亚暴;而行星际磁场(IMF)持续南向时的稳态磁层对流期间,不易发生亚暴.      

亚暴起始位置和膨胀相持续时间对行星际磁场Bz分量的响应

磁层亚暴是太阳风–磁层–电离层耦合过程中的重要爆发性事件,其特性受太阳风参数的影响很大。本文利用对IMAGE卫星在2000 － 2005年观测到的4193个亚暴起始事件,统计研究了在不同的行星际磁场（IMF）B_z 条件下亚暴起始位置和膨胀相持续时间。结果表明,南向IMF发生的亚暴比北向IMF下发生的亚暴要多。南向IMF条件下亚暴AE指数最大值的平均值基本上>600 nT,并有随南向IMF持续时间增大而增大的趋势。北向IMF条件下亚暴AE指数最大值的平均值基本上<500 nT,并有随北向IMF持续时间增大而减小的趋势。亚暴的起始磁纬度基本上位于65° － 70°之间。当南向IMF或北向IMF的持续时间增大,超过80 min时,北半球的亚暴起始磁纬度会降低。亚暴起始磁地方时大部分位于22:15 － 23:15 MLT之间。但整体分布比较分散,显示不出特别清晰的随IMF B_z持续时间变化的趋势。相比于南向的IMF,北向IMF期间发生亚暴的平均膨胀相持续时间增大了将近10 min,表明南向IMF期间,亚暴强度虽然较大,但其膨胀相持续时间较短,亚暴能量释放和耗散的速度更快。      

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。      

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.      

磁云边界层与间断的观测研究

利用WIND飞船的磁场和等离子体观测数据,分析了1995年2月至2003年8月之间82个磁云中的边界层事件.我们认为(1)磁云边界层中方向间断DD(Directional Discontinuity)类型中RD(Rotational Discontinuity),TD(Tangential Discontinuity),ED(Either Discontinuity),ND(NeitherDiscontinuity)的分布为37:18:44:1(%),与背景太阳风中的分布51:12:35:2(%)不同;主要区别在于RD与TD的比例变化. (2)磁云边界层的内外边界切向间断的比例很高,占总数的20%,而且两侧的密度和温度平均相对变化分别为|△N/N|=0.24和|△T/T|=0.19,大于边界层内部的平均值,显示了更多的切向间断特征;此外,磁云边界层中方向间断的出现频次约为太阳风中的1.87倍. (3)磁云边界层中方向间断的法向分布在θ-φ平面中不是随机分布,而是以θ=-24.90°,φ=217.49°为几何中心,主要是指向远离太阳的方向,而不是简单的各向同性分布.初步结果表明,间断是磁云边界层中的重要结构,它有着不同于背景太阳风间断类型比,为诊断磁云边界层的形成机理提供了依据.      

镜模波识别方法研究及其在火星磁鞘中的应用

镜模波是温度各向异性等离子体中的一种波动结构,根据磁场和离子分布及波动特性可以进行识别.本文对比了只使用磁场数据与同时使用磁场及离子数据两种识别方法,分析了两类方法的特点.只使用磁场数据的方法基于磁场强度变化大、方向沿背景磁场的特征,通常使用磁场强度的波动幅度ΔB/|B|以及磁场变化方向与背景磁场的夹角θ_min,θ_max作为参数;同时使用磁场及粒子数据的方法利用的是磁场纵波特性、总压平衡和波动在等离子体坐标系下静止的特征.使用两种方法对MAVEN卫星在火星磁鞘内的数据进行识别,结果表明在某些情况下,只使用磁场数据会导致对镜模波的误判.通过研究改变上述参数阈值时识别结果的变化,发现当θ_min> 40°,θ_max < 40°,ΔB/|B|> 80%时,只用磁场数据可取得较好的识别效果.      

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.      

基于NOAA卫星数据的辐射带质子投掷角分布研究

利用NOAA-12卫星数据对空间环境平静时期太阳同步轨道处辐射带质子投掷角分布进行了研究. 根据投掷角分布的经验公式,计算出90°投掷角的质子方向强度和各向异性指数n. 质子投掷角分布按n的取值范围可分为三类,即90°峰值分布、平顶分布和蝴蝶形分布. 观测证实,对于辐射带质子,三种分布类型均存在并且具有明显的空间区域特征. 在内辐射带边缘地区90°峰值分布占主要优势;在外辐射带高L值区域,90°峰值分布明显减少,平顶分布和蝴蝶形分布逐渐增多. 针对90°峰值分布,研究了质子强度各向异性的区域分布特征,对于内辐射带区域,n值随L值的增大而增大,对于外辐射带,n值表现为逐渐下降的趋势. 为了研究质子投掷角分布对磁地方时的依赖关系,分析了能量为250～800keV的质子在两个不同磁地方时范围的投掷角分布规律. 结果显示,在内辐射带,质子强度的投掷角分布相对稳定,随磁地方时的变化并不显著;而在外辐射带的高L值区域,质子强度的投掷角分布随磁地方时变化明显,与磁地方时之间有明显的依赖关系.      

Invariant Modulation of IMF Clock Angle on the Solar Wind Energy Input into the Magnetosphere

By use of the global PPMLR Magnetohydrodynamics (MHD) model, a serial of quasisteady- state numerical simulations were conducted to examine the modulation property of the interplanetary magnetic field clock angle θ on the solar wind energy input into the magnetosphere. All the simulations can be divided into seven groups according to different criteria of solar wind conditions. For each group, 37 numerical examples are analyzed, with the clock angle varying from 0° to 360° with an interval of 10°, keeping the other solar wind parameters (such as the solar wind number density, velocity, and the magnetic field magnitude) unchanged. As expected, the solar wind energy input into the magnetosphere is modulated by the IMF clock angle. The axisymmetrical bell-shaped curve peaks at the clock angle of 180°. However, the modulation effect remains invariant with varying other solar wind conditions. The function form of such an invariant modulation is found to be sin(θ/2)2.70 + 0.25.      

Electrodynamic Coupling in the Solar Wind-Magnetosphere-Ionosphere System

This paper presents a brief summary of our recent work based on global MHD simulations of the Solar wind-Magnetosphere-Ionosphere (SMI) system with emphasis on the electrodynamic coupling in the system. The main conclusions obtained are summarized as follows. (1) As a main dynamo of the SMI system, the bow shock contributes to both region 1 Field-Aligned Current (FAC) and cross-tail current. Under strong interplanetary driving conditions and moderate Alfven Mach numbers, the bow shock's contribution may exceed more than fifty percent of the total of either region 1 or cross-tail currents. (2) In terms of more than 100 simulation runs with due southward Interplanetary Magnetic Field (IMF), we have found a combined parameter f = E_swP_swM_A-1/2 (E_sw, P_sw, and M_A are the solar wind electric field, ram pressure, and Alfven Mach number, respectively): both the ionospheric transpolar potential and the magnetopause reconnection voltage vary linearly with f for small f, but saturate for large f. (3) The reconnection voltage is approximately fitted by sin3/2θ_IMF/2, where θ_IMF is the IMF clock angle. The ionospheric transpolar potential, the voltage along the polar cap boundary, and the electric fields along the merging line however defined they may be, respond differently to θ_IMF, so it is not justified to take them as substitutes for the reconnection voltage.      

太阳活动低年低纬地区VTEC 变化特性分析

利用福州台站(26.1°N, 119.3°E, 磁纬14.4°N)电离层闪烁与TEC监测仪2006-2010年的观测数据, 对该地区垂直总电子含量(VTEC)进行时间变化特性分析. 结果表明, 春秋冬三季的VTEC平均最高值出现在06:00UT, 夏季出现在08:00UT, 所有季节的平均最低值均出现在21:00UT; VTEC变化存在季节异常和弱冬季异常, 春秋季节高, 冬夏季节低, 夏季VTEC比冬季低且最大值出现时间延迟; VTEC在2006-2009年呈现下降的变化趋势, 2010年开始增强, 年际变化与太阳活动及地磁活动变化趋势具有较好的对应关系; VTEC变化与太阳活动存在很好的相关性, 相关系数达到0.5以上, 地磁活动则显示了弱相关的特性; F_10.7与VTEC的相关性随着每天Kp指数总值Σ_kp的增大而减小.      

Statistical properties of the IMF clock angle in the solar wind with northward and southward interplanetary magnetic field based on ACE observation from 1998 to 2009: Dependence on the temporal scale of the solar wind

Utilizing ACE satellite observations from 1998 to 2009, we performed the elaborate study on the properties of the clock angle θ_CA (arctan(By/Bz) (?90° to 90°) of the interplanetary magnetic field (IMF) in the solar wind at 1?AU. The solar wind with northward IMF (NW-IMF) and southward IMF (SW-IMF) are analyzed, independently. Statistical analysis shows that the solar wind with SW-IMF and NW-IMF has similar properties in general, including their durations, the IMF Bz and By components, and the IMF θ_CA. Then, the solar wind with NW-IMF (SW-IMF) is classified into five different temporal scales according to the duration of the NW-IMF (SW-IMF), i.e., very-short wind of 10–30?min, short-scale wind of 0.5–1?h, moderate-scale wind of 1–3?h, long-scale wind of 3–5?h, and super-long wind >5?h. Our analysis reveals that the IMF θ_CA has a distinct decrease with increase of the temporal scale of the solar wind. Next, the solar wind is classified into two groups, i.e., the high-speed solar wind (>450?km/s) and the low-speed solar wind (<450?km/s). Our analysis indicates that the IMF θ_CA depends highly on the solar wind speed. Statistically, high-speed solar wind tends to have larger IMF θ_CA than low-speed solar wind. The evolutions of the solar wind and IMF with the solar activity are further studied, revealing no clear solar variation of the IMF θ_CA. Finally, we analyze the monthly variation of the IMF θ_CA. Superposed epoch result strongly suggests the seasonal variation of the IMF θ_CA.     

第23周不同角宽CME的分布及与太阳黑子数位相的比较

统计分析了1996-2008年期间CME数量随角宽的分布, 将几个典型角宽的CME数量随时间变化的特征与太阳黑子数随时间变化特征进行比较. 分析结果表明, 角宽为0°～ 180°的CME占CME总数的95%以上, 全晕CME占2.83%, 角宽301°～ 359°的CME数量非常少. 角宽0° ～ 60°的CME有三个峰值, 与太阳黑子数随时间变化的特征不吻合. 角宽为121°～ 180°CME的数量无双峰分布. 全晕CME的分布具有明显的双峰结构, 第一个峰值出现在2001年, 第二个峰值出现在2005年, 与太阳黑子数的变化不同步.      

Effect of ion dynamics on the evolution of electron phase-space holes

The evolution of two-dimensional (2D) electron phase-space holes (electron holes) has been previously investigated with electrostatic Particle-in-Cell (PIC) simulations, which neglect ion dynamics. The electron holes are found to be unstable to the transverse instability, and their evolution is determined by the combined action between the transverse instability and the stabilization by the background magnetic field. In this paper, the effect of ion dynamics on the evolution of an electron hole is studied. In weakly magnetized plasma (Ω_e < ω_pe, where Ω_e and ω_pe are electron gyrofrequency and plasma frequency, respectively), the electron hole is still unstable to the transverse instability. However, it evolves a little faster and is destroyed in a shorter time when ion dynamics is considered. In strongly magnetized plasma (Ω_e > ω_pe), the electron hole is broken due to the lower hybrid waves, and its evolution is much faster.      

大面质比空间碎片在太阳光压和引力作用下的轨道演化

分析了较高轨道(a > 10000km)大面质比空间碎片的轨道动力学演化问题. 重点讨论了位于地球同步轨道的空间碎片轨道演化问题, 并给出轨道偏心率 随时间演化的表达式. 通过进一步分析得出, 倾角大于63°26'的GTO轨 道空间碎片, 仅在J₂和第三体摄动影响下, 会出现轨道偏心率升高; 而对 于大面质比空间碎片, 在J₂项和太阳光压同时作用下, 当近地点指向的角 变率与太阳平黄经变化率接近时, 会出现长期共振现象, 导致轨道偏心率升 高, 近地点降低. 分析还得出, 轨道演化过程中, 偏心率的最大值与初始轨 道近地点的指向有关.      

地球同步轨道高能电子通量预报方法研究

统计分析了GOES卫星测量得到的E > 2MeV能道电子通量与地磁Ap指数及太阳风数据的关系, 构建了基于径向基函数RBF的神经网络模型框架, 对GOES-12卫星所处的地球同步轨道高能电子通量进行提前1天的预报, 其对2008-2010年数据预测的效果较好. 另外, 发现在GOES-12卫星观测的E >2MeV能道高能电子达到108 cm-2·d-1·sr-1以上时, FY-2D卫星的测量数据同时达到108 cm-2·d-1·sr-1以上的比例达到90%左右. 通过对FY-2D卫星E >2MeV能道电子通量与GOES卫星E>2MeV电子通量的相关性分析, 建立了FY-2D卫星高能电子预报模型, 预报结果与实测通量符合较好.