基于能量色散特征计算磁层顶重联位置的方法研究

磁层顶磁场重联是太阳风向磁层输入能量的主要方式.重联如何触发一直是空间物理研究的难点,其机制仍然有待深入研究.由于卫星穿越磁层顶时,很难恰好穿越重联发生的区域,因此难以观测到重联的触发条件.本文利用THEMIS卫星观测,确立了反演磁层顶重联点的方法.当重联刚开始发生时,卫星能够观测到离子的能量色散特征,可利用其计算卫星到重联发生位置的距离.沿着磁力线模型追踪该距离即可反演出磁层顶发生重联的位置.与其他方法进行了对比分析,结果显示本文方法比其他方法具有更高的精度.      

磁层顶位置的卫星观测

本文用了自1963年到1979年卫星穿越磁层顶的1024个观测资料计算了向阳侧磁层顶椭球面的参数。企图从这些资料得出星际磁场和太阳风热压强对向阳侧磁层顶位置和形状的影响大小。但数值计算和理论分析都表明,目前所具有的观测资料的精度不足以获得星际磁场和太阳风热压强影响的数值。本文分析了各种因素所造成的在计算该椭球面参数时的不确定性。进而提出了对进一步工作的建议。该椭球面的平均大小、形状和方位的观测值与理论预计值是非常一致的。      

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.      

磁鞘快速流引起的磁层顶凹陷事件

最近研究表叽磁层顶凹陷对磁层-电离层耦合具有重要作用.但是,磁层顶凹陷现象的确认需要多颗卫星的联合观测,目前为止报道的磁层顶凹陷事例非常少.本文利用THEMIS 5颗卫星的联合观测结果,分析了一例由磁鞘快速流引起的磁层顶凹陷事件.2007年7月21日10:00UT-10:45UT,位于日下点磁层顶附近的THEMIS卫星...     

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.      

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.      

火星磁层顶形成和变化的理论研究

考虑太阳风动压与行星电离层中的带电粒子热压及磁压之和平衡,建立了有大气（电离层）的行星磁层顶形成的理论模型,结合卫星对火星的观测数据,对子午面内向日侧火星磁层顶位形进行了数值计算和分析,研究了火星磁层顶位形及其与太阳风动压之间的变化关系．结果认为,火星磁层顶位形与地球磁层顶相似．太阳风动压越大,火星磁层顶越靠近火星;太阳风动压越弱,火星磁层顶越远离火星．根据火星内秉磁矩从古到今逐渐减小的观点,探索了大尺度磁场（内禀磁矩）对火星磁层顶的贡献作用,结果认为大尺度磁场越强,火星磁层顶越远离行星．这对于进一步研究火星磁层的长期演化以及其他行星磁层的位形变化都具有重要的意义．     

磁层顶通量传输事件的经验重构

在地球磁层顶附近观测到的通量传输事件（Flux Transfer Event,FTE）一般被认为是瞬态局域磁重联的产物,是太阳风质量、动量和能量进入地球内磁层的重要通道.重构FTE的磁场结构可促进对其形成、演化过程及其与周围等离子体环境相互作用的理解.Grad-Shafranov重构法和磁通量绳拟合法等传统磁场重构方法适用于满足特定物理条件的磁场结构.基于平面线性插值原理,设计了一种不受具体物理条件限定的二维FTE磁场结构重构法.模型测试以及对THEMIS和Cluster卫星簇分别观测到的两个FTE的实际应用表明,在合适的多卫星位形条件下,该方法能快速有效重构出FTE的磁场空间分布,有助于推测FTE的磁场线位形,理解卫星测量数据的时间变化,以及分析等离子体物理量相对于FTE的磁场空间分布特征.      

1994年2月21日行星际激波引起的磁暴

利用Imp-8,Geotail和Goes-6等卫星资料,研究了1994年2月21日0900UT到达地球磁层的行星际激波引起的磁暴期间,从太阳风向磁层传输能量的有关问题.结果指出:（1）南向行星际磁场（IMF）的长持续时间不是太阳风向磁层输能的必要条件.南北振荡的,较强IMF也能产生显著的能量传输;（2）行星际扰动磁场通过弓激波和磁层顶后扰动磁能增加,增幅将近5倍;（3）在磁层内扰动磁场的Bz分量在1×10-4Hz附近显著被吸收.这一低频扰动磁场可能是磁暴期间导致氧离子和质子等环电流粒子向内扩散并被加速的原因之一.     

极端太阳风条件下的磁层顶位形

基于极端太阳风条件下的三维MHD数值模拟数据, 构建了一种极端太阳风条件下的三维非对称磁层顶位形模型. 所提出的模型考虑了行星际南向磁场(IMF) B_z日下点距离侵蚀的饱和效应, 太阳风动压B_d对磁层顶张角影响的饱和效应, 赤道面、昼夜子午面磁层顶的不对称性以及极尖区的内凹结构和内凹中心的移动, 并利用Levenberg-Marquart多参量非线性拟合方法拟合了模型参数. 数值模拟研究表明, 在极端太阳风条件下, 随B_d增大, 磁层顶日下点距离减小, 磁层顶磁尾张角几乎不变; 随南向(IMF)B_z增大, 磁层顶日下点距离略有减小, 磁层顶磁尾张角减小, 极尖区内凹中心向低纬移动. 通过对2010年8月1日太阳风暴事件验证发现, 本文所建立的模型能够描述极端太阳风条件下的三维磁层顶位形.      

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。      

Effect of the Interplanetary Electric Field on the Magnetopause From Global MHD Simulations

The north-south component B_z of the Interplanetary Magnetic Field (IMF) and solar wind dynamic pressure P_d are generally treated as the two main factors in the solar wind that determine the geometry of the magnetosphere. By using the 3D global MHD simulations, we investigate the effect of the Interplanetary Electric Field (IEF) on the size and shape of magnetopause quantitatively. Our numerical experiments confirm that the geometry of the magnetopause are mainly determined by P_dB_z, as expected. However, the dawn-dusk IEFs have great impact on the magnetopause erosion because of the magnetic reconnection, thus affecting the size and shape of the magnetopause. Higher solar wind speed with the same B_z will lead to bigger dawn-dusk IEFs, which means the higher reconnection rate, and then results in more magnetic flux removal from the dayside. Consequently, the dayside magnetopause moves inward and flank magnetopause moves outward.      

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     

The magnetopause erosion and the magnetosheath magnetic field penetration into the dayside magnetosphere

The earthward displacement of the magnetopause observed during a southward IMF (or the magnetopause erosion) and its dependence on the solar wind plasma and magnetic field parameters is studied by investigating data of about 30 magnetopause crossings by the ISEE 1 and 2 spacecraft. It is shown that the magnetopause erosion may be explained by a depression of the magnetic field intensity in the dayside magnetosphere caused by the penetration of the magnetosheath magnetic field (component perpendicular to the reconnection line) into the magnetosphere. The penetration coefficient (the ratio of the intensity of the penetrated field to the intensity of the magnetosheath magnetic field) is estimated and found to equal approximately 1.     

The response of the Hermean magnetosphere to the interplanetary magnetic field

The interaction between the solar wind and Mercury is anticipated to be unique because of Mercury’s relatively weak intrinsic magnetic field and tenuous neutral exosphere. In this paper the role of the IMF in determining the structure of the Hermean magnetosphere is studied using a new self-consistent three-dimensional quasi-neutral hybrid model. A comparison between a pure northward and southward IMF shows that the general morphology of the magnetic field, the position and shape of the bow shock and the magnetopause as well as the density and velocity of the solar wind in the magnetosheath and in the magnetosphere are quite similar in these two IMF situations. A Parker spiral IMF case, instead, produces a magnetosphere with a substantial north–south asymmetric plasma and magnetic field configuration. In general, this study illustrates quantitatively the role of IMF when the solar wind interacts with a weakly magnetised planetary body.     

Spatial distribution of the magnetosheath ion flux

The magnetosheath plays a crucial role in solar wind-magnetosphere interaction because it is the magnetosheath magnetic field and plasma that interact with the magnetopause and magnetosphere, not the unshocked solar wind. We are presenting ion flux measurement statistics at both the dawn and dusk flanks of the magnetosheath and their comparison with a gasdynamic magnetosheath model. The study is based on three years of INTERBALL-1 measurements supported by simultaneous WIND solar wind and magnetic field observations. Statistical processing has shown (1) the limitations of the gasdynamic model, (2) the conditions favorable for the creation of a plasma depletion layer adjacent to the flank magnetopause, (3) strong dawn-dusk asymmetry of the ion fluxes, and (4) an evidence for the presence of a slow mode front adjacent to the magnetopause.