电流片的稳定性问题

本文从理想磁流体力学出发,分析了固结在光球层上的半圆弧形电流片的线性稳定性。主要结论是:当沿电流方向的磁场小于某临界值时,电流片将不稳定,且最先引起不稳定的扰动模沿电流方向的波数近似为电流片圆弧直径的倒数。     

无碰撞电流片哨声波不稳定性

通过数值求解文献[4]中物理模型A得到的一般形式的色散关系,讨论了无碰撞电流片低频波不稳定性问题.结果表明,哨声波能被无碰撞电流片直接激发.在中性片上(z/d_i=0),在较宽的波数范围内,斜哨声波是可以传播的,但它基本上是稳定的.在离子惯性区内(z/d_i<1,电子惯性区外),斜传播的哨声波是不稳定的.在离子惯性区边缘(z/d_i=1),斜传播的哨声波仍然是不稳定的,增长率更大,不稳定的波频率范围更高.此外,朝向中性片方向传播(k_zd_i<0)的哨声波比离开中性片方向传播(k_zd_i>0)的哨声波有更大的增长率.     

2001年9月15日Cluster卫星对电流片的观测研究

2001年9月15日0430-0515 UT期间,Cluster卫星多次穿越磁尾电流片.由FGM、CIS等仪器获得了电流片磁场,粒子速度等数据变化情况,并得到了磁尾高速流的两次明显反转.本文采用GSM坐标系.利用求磁场空间梯度张量的方法获得了越尾电流,其电流密度的峰值为28nA/m2.并对电流片在垂直方向上的摆动和在晨昏方向的波动现象进行了分析.数据显示此时电流片为薄电流片并有一个变薄的趋势,其厚度大约为0.2-0.3 Re.磁场重联时地向流与尾向流均超过了1000 km/s,并测得了电流片的法线方向和运动速度,从而得到了磁尾电流片的结构和运动情况.      

各向异性等离子体多重电流片的演化

应用二维三分量磁流体动力学方程组模拟,数值研究了压力各向异性等离子体周期多重电流片的演化.发现在β<<1时,微弱的各向异性仅仅使电流片中磁场重联的速度加快.而当β≈1(即热压与磁压相当时),微弱的垂直各向异性(P_┴>P_//)不仅大大加速了磁场重联的速度,还使重联位置发生显著变化.初始反对称的磁场重联位形逐步转化为对称的磁场位形,进而再演化为与初始反相的反对称磁场位形.场向各向异性(P_┴<P_//)和强的垂直各向异性都导致不稳定性增长率成倍增加.但在场向各向异性下磁场位形基本不变,只在电流片中心出现不规则扰动.同样参数下各向异性等离子体多重电流片中磁场重联形成的磁岛比各向同性多层电流片要小.     

二维太阳风速度结构与日球电流片

本文分析了第1733—1742Carrington周的太阳耀斑、行星际闪烁(IPS)、太阳风及K-日冕资料,对二维太阳风速度结构进行了综合研究。结果表明:速度的大尺度分布、高速区、速度梯度、经度不均匀性和边界形状等方面相对于太阳赤道面都是不对称的;通过对理想的和实际的电流片以及飞船测量的磁场和速度比较,可以看到电流片附近大体上为低速区,但不存在简单的对应关系;扰动太阳风对背景太阳风的二维速度结构有显著的影响;理想电流片与实际电流片之间也存在较大的差距。     

行星际磁云与日球电流片相互作用的实例分析

基于1995-2007年Wind飞船观测到的105个磁云事件, 按照磁云在地球附近是否与日球电流片发生碰撞, 将其分为碰撞和未碰撞两类, 得到初步分析结果. ①可能与日球电流片发生碰撞的磁云事件有51例, 约占事件总数的49%; ②发生碰撞时, 磁云与日球电流片之间的相互作用区内呈现动力学相互作用增强的趋势, 例如多呈现局部的磁场方向间断结构(或称局域电流片结构), 伴随磁场强度下降、质子温度升高、部分质子速度分量出现跃变, Langmuir波或100~250,kHz的离子声波出现增强,这些现象可能与碰撞相互作用区域内发生的磁重联有关; 没有碰撞时这些特征一般不明显; ③至少有15个事例中, 磁云前后背景磁场的极性相反, 或磁场极性反转的位置位于磁云内部, 显示磁云可能正在跨越电流片运动; ④在几个磁云事件中发现磁云的亮环和亮核纤维结构. 这些极为初步的分析结果有利于了解磁云与日球电流片之间的相互作用过程.     

周期性多电流片系统中涡旋诱发重联过程的相互作用

运用二维可压缩磁流体动力学(MHD)模拟方法考察了周期性多电流片系统中涡旋诱发重联(VIR)过程的发展演化.结果表明,相邻电流片中的VIR过程发生相互作用,相距越近,作用越强烈.反对称和对称波模VIR过程的线性增长率随电流片间距的减小而分别增大和降低.当电流片间距小于某临界值时,反对称波模VIR完全被抑制.相对于对称波模VIR,反对称波模VIR过程对空间多电流片系统的发展会发挥更大作用.     

引导场对无碰撞电流片低频电磁不稳定性的影响

通过数值求解无碰撞电流片中可压缩磁流体力学模型下得到的一般形式的色散关系,讨论了无碰撞电流片中引导场对低频电磁波不稳定性的影响.结果表明,平衡态磁场中的引导场,对于三维扰动传播的波不稳定性有很强的影响.(1)在电流片中间平面上(z=0),无引导场时,没有不稳定性发生,但若存在引导场,不稳定性便发生,并随着引导场的增强,不稳定性明显增强,不稳定的波模可能是低混杂模.(2)在中间平面附近(z=0.2),电流片是不稳定的.随着引导场的增强,不稳定性增长率明显地增强,不稳定的波模从平行和反平行两个方向传播变为反平行方向一个方向传播,并且是斜传播的,具有低频哨声模或低混杂模的特征.(3)在电流片边缘附近(z=0.8),引导场对不稳定的波模和增长率没有明显影响,不稳定的波模都是准平行的哨声波.     

太阳风速度及日球电流片对CME渡越时间的影响

基于1996-2005年88个引起重大地磁暴的CME(日冕物质抛射)事件、1996-2000年的47个CME事件以及1997-2002年的29个全晕状CME事件,结合ACE卫星在1AU处的太阳风和行星际磁场观测资料以及Wilcox Solar Observatory(WSO)天文台的太阳光球层磁图,分析了背景太阳风速度和日球电流片对CME到达1AU处渡越时间预报误差的影响.结果表明,背景太阳风速度与CME渡越时间误差并没有明显的相关性,在考虑了磁云通量管轴相对黄道面夹角的影响后相关性依然不明显.然而日球电流片对CME渡越时间却有明显的影响,对于初速度较小的异侧CME事件,其渡越时间大于同侧事件;而对于具有较大初速度的CME事件,异侧事件的渡越时间明显小于同侧事件.研究结果表明,CME与太阳风以及日球电流片的相互作用并不是简单的对流相互作用,造成高速CME异侧事件快于同侧事件到达地球的因素非常复杂,有待深入研究.     

近地磁尾方位角流期间的场向电流增强

以往研究表明,地向高速流在近地磁尾可演化为方位角流,电离层内的方位角流和极光膨胀活动发生时,通过磁力线追踪到近地磁尾等离子体片的对应部分通常为地向和方位角高速流.通过对2016-2018年THEMIS卫星计划中THA,THD,THE三颗卫星同时观测到的数据进行分析、甄别后,在筛选出的62个事件中挑选一个典型的方位角流事...     

MHD simulation of magnetic field configuration above the active region NOAA 10365

The current sheet (CS) creation before a flare in the vicinity of a singular line above the active region NOAA 10365 is shown in numerical experiments. Such a way the possibility of energy accumulation for a solar flare is demonstrated. These data and results of observation confirm the electrodynamical solar flare model that explains solar flares and CME appearance during CS disruption. The model explains also all phenomena observed in flares. For correct reproduction of the real boundary conditions the magnetic flux between spots should be taken into account. The full system of 3D MHD equations are solved using the PERESVET code. For setting the boundary conditions the method of photospheric magnetic maps is used. Such a method permits to take into account all evolution of photospherical magnetic field during several days before the flare.     

Understanding magnetotail current sheet meso-scale structures using MHD simulations

Recent Cluster observations have strongly supported the existence of meso-scale structure in the magnetotail current sheet. In our study, a magnetohydrodynamic simulation event study exhibited current sheet behavior comparable to that seen in the Cluster observations. Geotail and DoubleStar observations also show that the simulation is providing a realistic representation of the magnetosphere during the period of interest; that is, when the current sheet evidently becomes bifurcated. The magnetohydrodynamic simulation allows us to place the local observations into a global contest. It shows that the observations can be explained in terms of localized reconnection tailward of the Cluster location and the formation of a flux rope nearby. The simulation also features wave-like structure across the current sheet.     

初始电流片长宽比对非对称多重X线重联的影响

采用可压缩电阻性磁流体力学模型,研究了初始电流片的长宽比${L_x}$对非对称多重X线磁场重联的影响。研究结果发现,当${L_x}$超过一定的阈值时,非对称磁场重联的演化过程中将伴有多重X线重联发生。进一步地研究结果表明,当${L_x}$越大,多重X线重联就越容易出现,相同时间间隔内所诱发的次级磁岛的尺寸也随之相应变大,不仅如此,次级磁岛的尺寸占整个模拟尺寸的比例也有所增大。对于${L_x}$比较大的情形,当非对称多重X线磁场重联发展到一定程度后,非对称多重X线磁场重联的重联点基本不随时间变化,并且所诱发的大尺度次级磁岛的大小也基本稳定,该结论与Magnetospheric Multiscale （MMS） 观测现象一致。因此这些结果可以用来解释一些卫星观测现象,尤其对空间物理中有关次级磁重联产生的多重X重联的观测有一定指导作用。     

火星空间大尺度电流体系分布特征

在MHD模型基础上, 对火星空间环境的电流分布进行了模拟. 结果表明, 火星空间存在着弓激波电流、磁堆积区电流、电离层电流和磁尾电流. 弓激波电流在激波曲面上均由北向南自成体系, 电流密度在弓激波顶区域较大. 在向阳面磁堆积区边界电流与电离层电流彼此耦合形成完整的回路, 在背阳面磁堆积区边界电流与磁尾中心电流片耦合形成完整的回路.     

Evaluation of substorm models with Cluster observations of plasma flow reversal in the magnetotail

We evaluate two prevailing substorm models with an event of plasma flow reversal from tailward to Earthward detected by Cluster at the downstream distance of ∼19 R_E in the magnetotail during a substorm on August 22, 2001. We use the unique capability of Cluster measurements in determining gradients to examine the associated current density, Lorentz force, and current dissipation/dynamo term. In association with plasma flow reversal, it is found that (1) there was no clear quadrupole magnetic perturbation signature, (2) the x-component of the Lorentz force did not change sign, (3) the y-component of the product of the current density and the electric field was occasionally negative indicative of a dynamo effect, and (4) the timing sequence of flow reversal from the Cluster configuration did not match tailward motion of a single plasma flow source. These observations are consistent with the near-Earth initiation model for substorms with multiple current disruption sites moving progressively tailward near the late stage of substorm expansion.     

低轨道航天器高电压太阳电池阵电流泄漏效应分析计算

在一种简化的太阳电池阵结构模型基础上, 利用太阳电池阵电流收集经验模式,基于电流平衡, 建立了一种计算低轨道航天器高电压太阳电池阵在等离子体环境中电流泄漏的方法. 利用该方法, 对高电压太阳电池阵电流泄漏效应与低轨道等离子体环境、电池阵电压、电池阵裸露金属面积的关系进行了分析计算.结果表明, 随着轨道高度增加, 电流泄漏引起的电池阵功率损失迅速下降, 影响最严重的区域为电离层等离子体密度最高的300～400 km高度的轨道区域; 电流泄漏引起的功率损失与太阳电池阵电压呈指数关系, 电压越高功率损失越大; 200 V以下的电池阵功率损耗较小, 远低于电源系统总功率的1%;电流泄漏与太阳电池阵裸露金属导体的表面积呈正比关系, 因此, 通过减少太阳电池阵裸露面积, 可以降低电流泄漏的影响.     

The plasma sheet and boundary layers under northward IMF: A multi-point and multi-instrument perspective

During conditions of northward interplanetary magnetic field (IMF), the near-tail plasma sheet is known to become denser and cooler, and is described as the cold-dense plasma sheet (CDPS). While its source is likely the solar wind, the prominent penetration mechanisms are less clear. The two main candidates are solar wind direct capture via double high-latitude reconnection on the dayside and Kelvin–Helmholtz/diffusive processes at the flank magnetopause. This paper presents a case study on the formation of the CDPS utilizing a wide variety of space- and ground-based observations, but primarily from the Double Star and Polar spacecraft on December 5th, 2004. The pertinent observations can be summarized as follows: TC-1 observes quasi-periodic (∼2 min period) cold-dense boundary layer (compared to a hot-tenuous plasma sheet) signatures interspersed with magnetosheath plasma at the dusk flank magnetopause near the dawn-dusk terminator. Analysis of this region suggests the boundary to be Kelvin–Helmholtz unstable and that plasma transport is ongoing across the boundary. At the same time, IMAGE spacecraft and ground based SuperDARN measurements provide evidence of high-latitude reconnection in both hemispheres. The Polar spacecraft, located in the southern hemisphere afternoon sector, sunward of TC-1, observes a persistent boundary layer with no obvious signature of boundary waves. The plasma is of a similar appearance to that observed by TC-1 inside the boundary layer further down the dusk flank, and by TC-2 in the near-Earth magnetotail. We present comparisons of electron phase space distributions between the spacecraft. Although the dayside boundary layer at Polar is most likely formed via double high-altitude reconnection, and is somewhat comparable to the flank boundary layer at Double Star, some differences argue in favour of additional transport that augment solar wind plasma entry into the tail regions.