空间飞行体远尾区内场和密度的非稳态非线性计算

对空间飞行体远尾区内等离子体与场之间非稳态非线性相互作用的耦合方程,在考虑了时间导数项后,进行了数值模拟计算.计算中考虑到场量具有轴对称的特点,利用二维三分量的初始条件,采用FTCS有限差分格式方法,得到了场和密度扰动的分布.结果表明,这种非线性相互作用也会引起场的塌缩并出现密度空洞,但塌缩的速度较快.通过对密度空洞变化的探测,可以对隐身飞行体进行跟踪探测.     

空间飞行体与等离子体在压缩区内的非稳态相互作用研究

研究了空间飞行体在运动过程中，其前端压缩区内飞行体与等离子体的、非稳态相互作用问题，得到了在强天线辐射源高频场作用下的控制方程．通过计算表明，飞行体上的天线可作为调制不稳定性的激发源，在等离子体中激发起很强的电磁孤波．     

空间飞行器近尾区内场的塌缩和密度空洞的形成

利用数值模拟计算的方法，研究了运行飞行器与周围等离子体，在近尾区内非稳态非线性相互作用问题，得到了场和密度扰动的分布。结果显示，由于场的塌缩效应，在飞行器的近尾区，形成了可以被探测到的密度空洞和电磁孤波，通过对这种密度空洞和电磁孤波的探测，可以跟踪探测具有陷身特性的飞行器的轨迹。     

电离层等离子体泡的磁场扰动特征与识别

等离子体泡是赤道区电离层常见的密度耗空结构,同时伴随着背景磁场的增强和垂直背景磁场方向上的扰动,这些扰动具有阿尔芬波的特征。本文利用Swarm卫星的标量、矢量磁场以及等离子体观测数据,考察了等离子体泡产生的磁场扰动信号特征,发现磁场强度和平均场向分量的增强均与等离子体泡密度下降有较强的负相关性,说明磁场标量和矢量（平均场向分量）数据都可以用来识别等离子体泡。由于Swarm卫星的标量磁场数据噪声明显低于矢量磁场数据,利用标量磁场数据可以提高等离子体泡的识别率,识别更多波动较小的等离子体泡。     

磁鞘等离子体密度统计建模

利用理想磁流体LFM模型的模拟数据,基于非参数统计方法对2004年11月14日03：00UT-07：00UT磁暴恢复相期间磁鞘等离子体平均密度进行建模.分析磁鞘等离子体平均密度与上游太阳风参数、行星际磁场参数及地磁扰动参数的统计关系,建立基于数据降维的经验模型.结果表明,电离层扰动强度因子、太阳风-磁层耦合强度因子和日地空间因果链耦合强度因子是影响磁鞘等离子体平均密度的三个主要方面.磁暴恢复相期间电离层上行离子是磁层环电流和磁尾等离子体的重要离子来源.建模分析过程表明,利用经验模型对空间物理过程开展建模,数据的严重多重共线性通常会导致模型的精度较差.而利用SIR和LPR建立的磁鞘等离子体平均密度随相关参数变化的经验模型可以有效解决该问题,具有较好的预测精度,统计特征显著.     

太阳风中航天器带电与尾迹效应的模拟

航天器充电和尾迹效应会对周围等离子体造成扰动,影响测量装置结果的准确性.利用SPIS （Spacecraft Plasma Interaction Software）分别模拟了航天器与太阳风的相互作用,考察了光电效应以及航天器尺度对表面充电情况和尾迹效应的影响.结果表明：太阳风环境下,等离子体密度稀薄,电子电流比光电子电流小得多,航天器表面为正电势,航天器后部有清晰的尾迹结构,尾迹带负电;光电效应可改变尾迹结构,与无光电效应相比,光电效应使得航天器尾迹尺度变大;由于太阳风定向运动动能大于航天器表面势能,航天器的尾迹结构与其几何尺寸有关,航天器尺寸越大,尾迹尺度越大.     

非相干雷达探测低电离层的结果分析

位于波多黎各的Arecibo非相干雷达可以获得低电离层电子和离子密度, 利用此非相干雷达数据对中纬度低电离层的运动特征进行研究. 得到了电子密度随时间和高度的变化 情况, 结果显著呈现出周日变化特征, 并分析了电子密度随高度的变化规律. 进一步对数据进行频谱分析, 深入研究低电离层电子密度的周日变化效应. 得到电子密度的高度剖面, 发现从F层底部到E层有明显的等离子体沉降. 低电离层的层结构特征及电子密度变化表明, 在该区域还存在不同程度的等离子体扰动, 由此对低电离层的作用因素 进行分析, 认为大气潮汐或声重波可能对低电离层产生扰动, 即低电离层与大气存在一定程度的耦合作用.     

太阳大气中有限振幅磁场扰动的动力学过程

本文从完整的磁流体动力学方程组出发,通过太阳大气中磁力线管根部有限振幅磁场的扰动,研究了非线性磁场的动力学演化。假设初始磁场位形足β<<1的势场,根部磁力线管磁场扰动,驱动等离子体运动,一部分磁能转换为等离子体动能。等离子体压缩运动具有快磁声波的特性。计算结果给出非线性磁场演化的定量关系,可以解释太阳大气中日冕活动过程。也可用于模拟实验室里高β实验装置中的等离子体的持性。      

磁扰动和磁静时近地等离子体片中脉冲电场的分布

Geotail卫星的电场数据被用于分析近地磁尾等离子体片中电场在磁扰动(Dst<-25nT)和磁静时(Dst>-25 nT的统计分布.结果表明,伴随着地向高速离子流,在X>-16Re以内区域出现强电场(高达 5-8 mV/m).磁扰动期间强电场的幅值较磁静时大,并且出现在更靠近地球的位置.较强和较靠近地球的强电场与磁扰动时更薄的等离子体片和更接近地球的等离子体片内边界相联系.观测结果意味着磁扰动期间的亚暴可能更有效地将高能粒子注射到环电流中.这对磁暴和亚暴的关系问题的解决有重要意义.     

膨胀磁场和太阳风粒子相互作用三维数值模拟

采用三维模型,使用混合网格质点法HPIC(Hybrid Particle-in-Cell)对膨胀的磁场和太阳风相互作用过程进行数值模拟.研究了线圈产生的偶极子磁场在注入等离子体后和太阳风粒子的相互作用过程,并对以不同速度入射的等离子体引起的太阳风粒子的变化和磁场变化进行了比较.研究结果表明,偶极子磁场和太阳风作用时会产生弓形激波,此时磁压等于太阳风粒子的动压,当向线圈产生的偶极子磁场中注入高能等离子体时引起磁场膨胀,膨胀的磁场将会排斥太阳风粒子向外运动,从而引起弓形激波的变化,增大与太阳风相互作用的面积,并且粒子入射速度越大,磁场膨胀越明显,与太阳风相互作用愈强.      

基于传输矩阵法的等离子体鞘套传输特性分析

引入分层模型传输矩阵法,分析高速临近空间飞行器等离子体鞘套传输特性.通过对典型飞行器模型进行纳维-斯托克斯方程组数值求解,仿真了等离子体鞘套的流场电子密度分布,分析了电磁波在等离子体鞘套内传输时的衰减常数,给出信号传输的反射系数和透射系数.基于传输矩阵法的仿真结果与理论分析结果和时域有限差分法仿真分析结果有良好的一致性,同时,该方法有效降低了计算复杂度,适用于任意电子密度分布和厚度的等离子体鞘套传输特性的数值求解.     

调制电子束弛豫长度对哨声波辐射的影响

在发射调制电子束的主动空间试验中,电子束与背景等离子体的线性和非线性相互作用将产生哨声波辐射.影响辐射特性的因素很多,调制电子束的弛豫长度是其中一个重要因素.本文研究了呈指数衰减的调制电子束弛豫长度对电子束产生的哨声波辐射特性的影响.结果表明,当电子束弛豫长度与背景等离子体非均匀特征尺度相当时,有利于提高调制电子束产生的波辐射强度.     

空间等离子体云的回旋同步辐射

CME在行星际空间传播时, 会导致强磁场、高密度等离子体云的出现. 回旋同步辐射是此类等离子体的一种主要的射电辐射机制, 且携带行星际磁场的重要信息. 本文重点探讨了光深τν ≤1时回旋同步辐射的发射、吸收及极化特性, 包括热电子、非热电子, 投掷角各向同性、投掷角各向异性等离子体云的回旋同步辐射过程的研究分析. 在此基础上, 推导了考虑折射指数情况下, 辐射强度、辐射亮温的表达式.     

Ion-acoustic waves in unmagnetized collisionless weakly relativistic plasma of warm-ion and isothermal-electron using time-fractional KdV equation

Collisionless unmagnetized plasma consisting of a mixture of warm ion-fluid and isothermal-electron is considered, assuming that the ion flow velocity has a weak relativistic effect. The reductive perturbation method has been employed to derive the Korteweg–de Vries (KdV) equation for small – but finite-amplitude electrostatic ion-acoustic waves in this plasma. The semi-inverse method and Agrawal’s method lead to the Euler–Lagrange equation that leads to the time fractional KdV equation. The variational-iteration method given by He is used to solve the derived time fractional KdV equation. The calculations show that the fractional order may play the same rule of higher order dissipation in KdV equation to modulate the soliton wave amplitude in the plasma system. The results of the present investigation may be applicable to some plasma environments, such as space-plasmas, laser-plasma interaction, plasma sheet boundary layer of the earth’s magnetosphere, solar atmosphere and interplanetary space.     

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)...     

Self-consistent amplitude profile of ducted VLF transmitter signal due to resonant interaction with energetic electrons in the magnetosphere

Of the various sources of whistler waves in the magnetosphere, the signals from terrestrial VLF transmitters are apparently the simplest for theoretical analysis. The role of these signals in the acceleration and pitch-angle scattering of energetic electrons in the Earth’s radiation belts has not been fully studied quantitatively, despite many decades of relevant research. The main problem in studying this issue is that to calculate the acceleration and pitch-angle scattering of particles, it is necessary to know the spatial profile of the signal amplitude. This is especially critical for phase-trapped particles, for which the energy exchange with the wave is the most significant. At the same time, the wave amplitude profile itself is determined by the interaction of the wave with resonant particles. Thus, we are dealing with a self-consistent problem, which is described by a nonlinear system of equations - a kinetic equation for the distribution function of resonant particles with a self-consistent field, and an equation for the wave field, in which the nonlinear and non-local growth rate is determined by the distribution function of resonant particles. In this paper, we develop an approach to solving this system of equations and the corresponding physical problem using the method of successive approximations.     

VLF波从大气层到低电离层的传输特性分析

基于传播矩阵法计算了均匀半空间电离层的反透射系数, 同时解Booker复系数四次方程得到电离层的复折射指数, 分别研究了电离层反射透射系数及折射指数随VLF频段入射电波频率、入射角和地磁倾角、电离层电子浓度及碰撞频率的变化规律. 计算结果表明, 在VLF频段, 垂直电偶极子辐射的横磁(Traverse Magnetic)波更易透射进入电离层, 而水平电偶极子辐射的横电(Traverse Electric) 波易被限制在地-电离层波导内来回反射. 电离层电子密度较低时 (如夜间), 在高纬度地区, 观测到地震电离层VLF异常的概率更大. 当考虑地磁场 的影响时, 电离层将允许地震辐射的超低频(Ultra Low Frequency ,ULF)/甚低频 (Very Low Frequency, VLF)部分的电磁波透射进入电离层, 这一点已有很多卫星观测事实为证, 但其进一步的物理机制尚需深入研究.     

Small amplitude ion acoustic solitons in a weakly magnetized plasma with anisotropic ion pressure and kappa distributed electrons

The Zakharov–Kuznetzov (ZK) equation is derived for nonlinear electrostatic waves in a weakly magnetized plasma in the presence of anisotropic ion pressure and superthermal electrons. The anisotropic ion pressure is defined using Chew–Goldberger–Low (CGL) while a generalized Lorentzian (kappa) distribution is assumed for the non-thermal electrons. The standard reductive perturbation method (RPM) is employed to derive the two dimensional ZK equation for the dynamics of obliquely propagating low frequency ion acoustic wave. The influence of spectral index (kappa) of non-thermal electron on the soliton is discussed in the presence of anisotropic ion pressure in plasmas. It is found that ion pressure anisotropy and superthermality of electrons affect both the width and amplitude of the solitary waves. On the other hand the magnetic field is found to alter the dispersive property of the plasma only, and hence the width of the solitons is affected while the amplitude of the solitary waves is independent of external magnetic field. The numerical results are also presented for illustrations.