利用THEMIS卫星观测结果分析亚暴期间等离子体片尾向膨胀

利用THEMIS卫星观测结果,分析2008年3月13日10:40UT-12:10UT的一次中等亚暴事件在磁尾的全球演化过程.在该过程中,THEMIS的5颗卫星在午夜区附近沿x轴依次排列,离地心距离约8.7~13.2R_e.亚暴触发开始后,磁场偶极化和等离子体片的膨胀依次被在磁尾不同位置的卫星观测到.等离子体尾向膨胀的平均速度约为140km·s-1.在此次亚暴事件中可观测到两种类型的偶极化.一种为偶极化锋面,其与爆发性整体流（BBF）密切相关;另一种为全球偶极化,其与等离子体片的膨胀密切相关.亚暴触发开始约7min后,THEMIS卫星在低中高纬都可以观测到Pi2脉动的发生,且Pi2脉动的振幅随着纬度的升高逐渐变大.此次亚暴事件中的离子整体流速度主要是由离子电漂移速度引起的,测得的电场为局地磁通量变化导致的感应电场.      

亚暴偶极化中近地磁尾质子的非绝热加速

亚暴偶极化过程中离子加速是亚暴粒子注入的重要产生机制. 通过试验粒子的方法模拟研究了亚暴偶极化期间磁尾等离子体片-8R_e～-5R_e处超低频电磁波对质子的加速过程. 研究表明, 质子在大尺度偶极化电磁场的作用下向内磁层注入, 与质子回旋频率相近的超低频电磁波能够引起低能质子发生非绝热加速. 质子在偶极化前后的能量变化与质子的初始能量密切相关, 初始能量远小于截止能量的质子, 末能量要比初始能量显著增加, 其值与扰动波频率相关, 且量级与偶极化造成的低能氧离子能量增加量级基本相当; 初始能量在截止能量以上的质子受超低频电磁波影响不大, 注入过程能量基本保持不变.      

高速流前端磁场B_z分量的变化

等离子体片高速流在磁层活动中起着重要作用,其形成机制以及与背景等离子体的相互作用日益引起关注.本文利用搭载于Cluster四颗卫星上的磁场和等离子体观测仪器,对2001和2002两年发生在磁尾等离子体片中高速流事件期间的磁场变化进行了统计研究.结果表明,在高速流前端,伴随着等离子体整体速度的增加,绝大多数高速流前端磁场的B_z分量经常出现先短暂减小然后剧烈增大的现象,符合以往利用Geotail卫星观测数据获得的统计特性.然而个例研究发现B_z的下降与上升常常是不对称的,且B_z分量下降的程度并不是总能达到反向的程度,说明这种变化特征并不一定是存在磁结构的表现.我们认为更多时候这种磁场的变化特征是高速流挤压背景等离子体磁场造成的,是相互作用的结果.当偶极化锋面形成后,由类似间断面的磁场界面反射的热离子产生抗磁效应,可能对B_z下降形成部分贡献,而B_z增加则是高速流携带磁通量堆积的效果.     

上游太阳风中高能电子向同步轨道区的传输

通常认为，同步轨道区的电子通量增加是由于磁暴或者上游太阳风高速流的扰动所引起．近来的观测表明，起源于太阳活动的行星际高能电子也是引起同步轨道电子通量增加的重要原因之一．Zhao等在研究2000年7月14日太阳剧烈活动时发现，同步轨道区相对论电子通量巨幅增加时没有观察到上游太阳风高速流的扰动，并且磁暴发生在电子通量事件之后．采用解析磁场模型和实际磁场模型(T96模型)模拟来自太阳的相对论电子在磁尾中的运动特性．计算结果表明，当行星际磁场南向时，进入到磁尾的行星际相对论电子可以从较远的磁尾区域运动到同步轨道区域．这一研究结果从理论上论证了起源于太阳活动的高能电子可以对同步轨道区相对论电子通量的增加产生重要的作用．     

2.5维自适应磁场重联MHD模式

磁雷诺数(R_m)是影响磁场重联的重要因素. 真实的物理环境中R_m往往很高, 例如, 在行星际空间和太阳日冕中R_m通常大于104量级. 高R_m条件下的磁重联表现出很多异常特性, 然而高R_m条件下的磁场重联数值模拟需要很高的时空分辨率, 否则很难分辨出重联过程中形成的薄电流片. 本文基于自适应软件包PARAMESH将并行自适应网格技术引入磁场重联数值模拟, 建立了一个2.5维自适应磁场重联MHD模式, 研究高磁雷诺数条件下重联的动态演化过程, 进而将不同磁雷诺数的参数进行对比研究. 结果表明, 该模式可以自动捕捉到磁场重联产生的奇性电流片, 高磁雷诺数条件下产生的慢激波结构可提供一种快速磁能释放机制.      

地球弓激波的三维模拟

利用磁流体动力学(MHD)全球模拟结果,根据弓激波的跃变特性确定出弓激波位置,建立了一个新的综合考虑了快磁声马赫数、太阳风动压、行星际磁场强度以及磁层顶曲率半径的弓激波三维位型模型.将新模型与以往模型的模拟结果进行比较发现,新的弓激波全球模型结果可靠,解决了部分现有模型不能描述弓激波三维位型的问题.研究结果表明,在行星际磁场北向时,随着快磁声马赫数的增大,弓激波日下点距离减小,但是在行星际磁场南向时,快磁声马赫数的变化对弓激波日下点距离影响不大;弓激波位型在赤道面与子午面上存在明显的不对称性,而且随着行星际磁场的转向,这种非对称性也会发生相应改变;行星际磁场南向,B_z值较小时,子午面内弓激波位型已经不是简单的抛物线,出现了明显的类似于极尖区磁层顶的凹陷变化区.      

太阳周期活动对低高度内辐射带高能质子的影响

利用NOAA-15卫星1998年到2011年近13年的高能质子全向通量观测资料, 分析了一个太阳活动周内, 低高度内辐射带高能质子通量的分布变化特性及其物理原因, 比较了观测结果与AP8模型的不同. 研究表明, 低高度内辐射带高能质子通量与太阳活动水平的反相关关系与磁壳参数L值及磁场B值有关; L值越低, B值越大的空间点, 其高能质子通量与太阳活动水平的反向相关性越明显. 高能质子通量随太阳活动水平的变化存在明显滞后现象, L值越高、 B值越小的空间点, 滞后现象就越明显, 滞后严重时可以达到一年左右的时间; 这种滞后现象反映出低高度内辐射带高能质子的源与损失达到平衡是一个中长期过程. 通过与AP8模型计算结果的比较分析可以看出, 利用AP8模型时, 仅考虑地磁场长期变化对质子通量的影响可能会夸大低高度内辐射带局部高能质子通量的增强.      

向阳面磁顶区可压缩涡旋诱发重联模拟研究:通量传输事件的形成和结构

本文用二维可压缩MHD模型,模拟研究了向阳面磁顶区的涡旋诱发重联过程。重联过程的结果形成了同心的磁流体涡旋。同时还对可压缩模型与不可压缩模型的异同点作了对比研究。结果表明,在同样条件下,可压缩情况的涡旋发展的增长率比不可压缩情况慢;结构特性无显著变化。本文指出,涡旋诱发重联是产生通量传输事件的一种重要机制。通量传输管可看作为磁流体涡旋管。对通量传输事件诸物理量(磁场、速度、密度、压力和温度)的分布特性作了模拟研究,可解释FTEs的主要观测特性。      

改进SA模型对翼型分离流动的数值模拟

采用(CFD,Computational Fluid Dynamics)软件Fluent,选取(SA,Spalart-Allmaras)模型,对风力机翼型S825进行了二维数值模拟,并与实验数据进行比较.针对SA模型不能准确预测翼型尾部流动分离的情况,分析了分离区域内湍流的强非平衡输运特性.研究表明,SA模型中系数C_b1与湍流的非平衡输运特性密切相关,进而提出了修正模型系数C_b1改进SA模型的方法,结果表明该方法能够更准确地模拟风力机翼型分离流动.     

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.      

Particle simulation study of substrom triggering with a southward IMF

This paper reports the spatial and temporal development of bursty bulk flows (BBFs) created by reconnection as well as current disruptions (CDs) in the near-Earth tail using our 3-D global electromagnetic (EM) particle simulation with a southward turning interplanetary magnetic field (IMF) in the context of the substorm onset. Recently, observations show that BBFs are often accompanied by current disruptions for triggering substorms. We have examined the dynamics of BBFs and CDs in order to understand the timing and triggering mechanism of substorms. As the solar wind with the southward IMF advances over the Earth, the near-Earth tail thins and the sheet current intensifies. Before the peak of the current density becomes maximum, reconnection takes place, which ejects particles from the reconnection region. Because of earthward flows the peak of the current density moves toward Earth. The characteristics of the earthward flows depend on the ions and electrons. Electrons flow back into the inflow region (the center of reconnection region), which provides current closure. Therefore the structure of electron flows near the reconnection region is rather complicated. In contrast, the ion earthward flows are generated far from the reconnection region. These earthward flows pile up near the Earth. The ions mainly drift toward the duskside. The electrons are diverted toward the dawnside. Due to the pile-up, dawnward current is generated near Earth. This dawnward current dissipates rapidly with the sheet current because of the opposite current direction, which coincides with the dipolarization in the near-Earth tail. At this time the wedge current may be created in our simulation model. This simulation study shows the sequence of the substorm dynamics in the near-Earth tail, which is similar to the features obtained by multisatellite observations. Identification of the timing and mechanism of triggering substorm onset requires further studies in conjunction with observations.     

Comparison of BBfs Observed by Single and Multi Satellites

This paper, using the data of three Cluster satellites, compares the observations of Bursty Bulk Flow (BBF) by single satellite with those by multi satellites. The results indicate that there exists remarkable difference between observations of BBF by single satellite and multi satellites. The observations of BBF by a single satellite depend on its position relative to the flow channel. The difference is caused by the localization characteristics of fast flows in the plasma sheet, and can lead to diverging views about substorm and causal relations among substorm phenomena.      

Outstanding issues in understanding the dynamics of the inner plasma sheet and ring current during storms and substorms

The paper deals with five selected issues of the dynamical coupling of the near-Earth plasma sheet and magnetosphere, (1) substorm initiation, (2) dipolarization, (3) pressure release of the outer magnetosphere via the auroral energy conversion process, (4) magnetization of the very high beta plasma assembling at the inner edge of the tail, and (5) penetration of energetic particles into the ring current below L 4. One outstanding and strongly debated subject is not discussed here, the origin of the substorm current wedge. The main conclusions (or personal preferences) are: (1) the substorm is initiated by formation of a near-Earth neutral line; (2) dipolarization occurs through magnetic flux transport by the earthward reconnection flow and not by current diffusion; (3) the auroral energy conversion process, the “auroral pressure valve”, contributes substantially to the pressure release during the substorms; (4) high beta ( 10) plasma breaks up into smaller scale blobs under slow magnetization; and (5) deep and prolonged penetration of hot plasma sheet plasma into the middle magnetosphere produces currents and electric fields which lead to the growth of the storm-time ring current.     

低轨航天器弹道系数估算及热层大气模型误差分析

利用低轨（LEO）航天器在轨期间两行轨道根数（TLEs）数据,结合经验大气密度模型NRLMSISE00,反演计算得到其在轨期间的弹道系数B’,以31年B’的平均值代替弹道系数真值,分别通过标准球形目标卫星对比以及物理参数基本相同的非球形目标卫星对比,对弹道系数真值进行了检验;利用不同外形目标卫星弹道系数在不同太阳活动周内的变化规律,结合太阳和地磁活动变化,估计经验大气密度模型的误差分布. 结果表明,利用反演弹道系数31年的平均值来代替真值,其在理论值的正常误差范围内;大气密度模型误差在210～526km高度范围内存在相同的变化趋势,且模型误差随高度增加而增大;在短周期内B’变化与太阳活动指数F_10.7存在反相关性;密度模型不能有效模拟2008年出现的大气密度异常低. 以上结果表明,经验大气密度模型结果需要修正,尤其是在太阳活动峰年和谷年,此外,磁暴期间模型误差的修正对卫星定轨和轨道预报等也具有重要意义.      

Cluster observations of earthward propagating plasmoid and flux ropes in the near-tail during the course of a substorm event

We analyze the magnetic structures in the near-tail at Xgsm = −17.5 Re on September 19, 2003 by Cluster. During the course of a substorm event, the earthward propagating plasmoid and flux ropes in the near-tail are observed. The earthward propagating plasmoid is associated with the bipolar Bz and By signatures. The two flux ropes are embedded within the earthward plasma flows, which might be referred to the population as ‘‘BBF-type’’ flux ropes. The first flux rope diameter is about 0.7 Re and duration based upon the Bz signature is ∼20 s, while the second one diameter is about 1.4 Re and duration is ∼30 s. The earthward propagating plasmoid and flux ropes could have influence upon the dipolarization and injection in inner magnetosphere. The Cluster observations of earthward propagating plasmoid and flux ropes can be interpreted as strong evidence for multiple X-lines. Our observations are consistent with that multiple plasmoids or flux ropes are formed repeatedly and ejected tailward in the course of geomagnetically active time.     

中心等离子体片的地向对流型高速流

在GSM坐标系下, 利用TC-1卫星和Cluster/C1卫星上4s分辨率的磁场和热离子探测数据, 对中心等离子体片内的地向对流型高速流进行了统计研究(-19 Re < x< -9 Re, |y| < 10 Re, |z|< 5 Re). 统计结果表明, 地向对流型高速流会在15 Re以内出现``刹车', 在11.5 Re附近时出现``缺失'. 进一步对其速度特征进行统计分析. 结果显示, 在中心等离子体片内的高速流, 其运动方向主要为地向, 晨昏和南北方向的运动明显较弱; 在对流型高速流的地向输运过程中, 其峰值速度没有明显的下降; 在近地13 Re以内, 等离子体片内的地向对流型高速流具有较强的垂直磁力线运动速度. 这意味着对流型高速流在近地15 Re以内的“刹车”不是由高速流晨昏或南北方向的偏转造成的. 高速流在11.5 Re附近时出现的``缺失'可能与在15 Re以内出现``刹车'密切相关. TC-1卫星和Cluster卫星的观测为了解中磁尾重联高速流地向输运过程及亚暴膨胀相触发提供了重要的观测依据.      

Do we understand the inner magnetotail dynamics during substorms?

Substorm evolution of the near-Earth (|X|<15 R_E) plasma sheet has been emphasized recently because the inner tail is thought to link closely to the substorm auroral activity in the ionosphere during the early stage of substorms. In this paper, we discuss how the inner tail substorm phenomena during the late substorm growth phase and early expansion phase are accounted for by the two prevailing substorm models, namely, the near-Earth neutral line model and the current disruption model. We find that the late growth phase features are more satisfactorily accounted for by the current disruption model than by the near-Earth neutral line model. In addition, detailed observations on current disruption show evidence inconsistent with the proposed idea of dipolarization being due to plasma flow braking from reconnection in the mid-tail region, which poses a difficulty to the near-Earth neutral line model as well.     

磁层亚暴膨胀相的近地触发模型

本文指出现有亚暴的中性线模型其源区在赤疲乏面上离地球太远；以ＧＥＯＳ－２的观测资料为依据，提出了亚暴膨胀相的一个近地触发模型－气球模不稳定性模型，该模型认为，在增长相期间到达Ｒ≈（６－１０）ＲＥ的近地等离子体片内边缘区，出现指向地球方向的离子压强梯度，越尾电流强度增大，磁力线向磁尾拉伸。当等离子体片变薄，电子沉降增强，极光带电离层电导率骤增时，气球模不稳定性在近地等离子体片内边缘区被激发，场向电流