三维试验粒子轨道法在磁层粒子全球输运中的应用

根据磁层粒子动力学理论, 通过偶极磁场模型验证利用三维试验粒子轨道方法模拟近地球区(r < 8R_e)带电粒子运动特征的可靠性. 在此基础上, 以太阳风和磁层相互作用的全球MHD模拟结果为背景, 利用三维试验粒子轨道方法, 对非磁暴期间南向行星际磁场背景下太阳风离子注入磁层的情形进行数值模拟, 并对北向行星际磁场背景下太阳风离子注入极尖区以及内磁层的几种不同情形进行了单粒子模拟. 模拟结果反映了南向和北向行星际磁场离子向磁层的几种典型输入过程, 揭示出行星际磁场南向时太阳风粒子在磁层内密度分布的晨昏不对称性以及其在磁鞘和磁层内的大致分布, 并得出统计规律. 模拟结果与理论预测和观测结论相一致, 且通过数值模拟发现, 行星际磁场北向时靠近极尖区附近形成的非典型磁镜结构对于能量粒子经由极尖区注入环电流区域过程有重要的影响和作用.      

火星空间磁场结构特征

在火星空间模拟的单流体MHD模型的基础上, 研究了火星空间磁场结构及火星表面局部磁异常对磁场结构的影响. 在太阳风与火星相互作用的过程中, 形成弓激波和磁堆积区, 行星际磁场弯曲并向两极移动且被拖拽变形, 大部分磁力线从火星两极绕过, 通过火星之后在磁尾留下V字形结构. 火星表面附近局部磁异常也对火星磁场结构产生不可忽视的影响. 不同位置和强度的磁异常与太阳风相互作用形成结构及形态各异的微磁层, 如被拖拽的微磁层和存在开磁力线的微磁层等. 局部磁异常改变了近火磁场结构, 并可能改变等离子体的分布.      

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.      

月球尾迹的二维MHD模拟

采用理想的二维单流体MHD方程,对太阳风通过月球时所形成的尾迹结构进行数值模拟,得到了太阳风尾迹的粒子分布及磁场分布.模拟结果表明,在月球背阳面的本影区,太阳风粒子密度急剧下降,行星际磁场增强.当行星际磁场与太阳风流动方向平行时,尾迹被拖得很长,而磁场与太阳风流动方向垂直时,尾迹较短.      

多种观测数据驱动的三维行星际太阳风MHD模拟

三维磁流体力学（MHD）数值模拟是行星际太阳风研究的重要手段.本文发展了一种由多种观测数据驱动的三维行星际太阳风MHD数值模型.模型的计算区域为0.1AU到1AU附近，使用Lax-Friedrich差分格式在六片网格系统中进行数值求解.边界条件中磁场使用GONG台站观测的光球磁图外推获得，密度通过LASCO观测的白光偏振亮度反演得到，速度根据以上两种观测数据并利用一种基于人工神经网络技术（ANN）的方法得到，温度通过自洽方法根据磁场和密度导出.利用该模型模拟了第2062卡灵顿周（CR2062）时期的行星际太阳风，模拟结果显示出丰富的观测特征，并与OMNI以及Ulysses的实际观测值符合得较好.该模型可用于提供接近真实的行星际太阳风，有助于提高空间天气预报的精度.      

日冕三维太阳风模拟

COIN-TVD MHD模型是近年发展起来的能有效实现日冕–行星际三维太阳风模拟的模型.本文利用此模型针对日冕区三维太阳风进行研究,为了模拟日冕太阳风的加热加速,对模型中的体积加热项做了调整.在磁流体模拟中,减小磁场散度的误差是关键问题之一,在调整体积加热项后应用扩散法、八波法、扩散八波法,对2199卡林顿周的背景太阳...     

嫦娥一号卫星太阳风离子探测器离子流量反演太阳风参数与初步结果分析

嫦娥一号卫星(Chang'E-1)上搭载的两台太阳风离子探测器(SWID-A/B)是国际上首次在200 km极月轨道观测等离子体环境的探测仪器.SWID-A/B的科学目标是探测月球附近等离子体与月球的相互作用,获得月球附近的太阳风速度、密度和温度.太阳风离子探测器的观测数据是各能量成分离子流量的直接反映,包含了太阳风离子的速度、密度和温度信息.本文设计了一种利用离子流量数据反演太阳风速度、密度和温度的算法,并通过模拟太阳风离子注入探测器的过程,验证了算法的可行性.对月球附近太阳风离子基本特征的分析研究表明,在太阳活动低年,空间环境扰动水平相对较低时,行星际太阳风运动到月球附近后依然保持着相同的变化趋势;太阳风离子的速度和密度与在上游行星际空间时相近;太阳风离子的温度则比在上游行星际空间时高103 K.     

揭秘木星的磁场

太阳系中磁场最大的行星是哪一个?众所周知磁场是看不见的,在太阳系中,仅仅有6个行星有磁场,它们分别是水星、地球、木星、土星、天王星和海王星。在这6个行星中,木星的磁场是最大和最强的,其赤道附近的磁场密度为4高斯,比地球磁场大10倍。木星的磁气圈也大得惊人,它的范围甚至超过了木星的环系,半径约为640万千米,可以装数千个太阳。类似地球磁气圈上的效应,太阳风也将木星的磁气圈吹出一个长     

日先驱者号探测器绕地球变轨获得成功

1985年1月8日从宇宙科学研究所鹿儿岛宇宙空间观测所发射的先驱(MS-T5)哈雷彗星探测器,于1986年3月11日到达约700万km处接近哈雷彗星,在取得珍贵的观测数据之后绕太阳运行轨道继续航行。先驱探测器上搭载的探测行星间磁场、等离子体波动、太阳风的3种科学观测仪器,都工作正常。宇宙科学研究所将1990年1月24日发射的飞天工程实验卫星绕行星变轨技术,应用到先驱探测器上,即1992年1月8日,通过地球引力场改变先驱探测器轨道。     

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。      

行星际起伏向磁层顶的输运

时间尺度为分钟数量级的太阳风速度和行星际磁场大幅度扰动实际上始终存在于行星际空间的。这些扰动一直传输到紧贴磁层边界面外侧的区域。它们在磁鞘等离子体和磁层顶的相互作用过程中可能起很重要的作用。行星际起伏中的磁场分量在通过地球弓激波时首先经历一次跳跃,然后一部分扰动被带到磁层边界面处。在边界面附近磁场扰动幅度被大大地放大了。弓激波上游的太阳风条件控制了放大因子。本文所作的数值模拟研究结果表明,如果上游有大幅度的扰动,在边界面附近就有大幅度的Alfven起伏的磁场分量。当上游磁场接近垂直于日地联线时,放大因子变得相当大,而且放大因子随上游的等离子体β值和/或Alfven马赫数的增加而增加。上游各向异性对放大因子的影响不大。在磁层边界附近存在大幅度起伏表明这里不存在稳定的片流。      

利用行星际监测数据进行地磁暴预报

利用全连接神经网络方法应用于地磁Dst指数的预报中.对ACE卫星探测的太阳风和行星际磁场及其变化对未来几小时的Dst指数的影响进行了统计分析,发现在这些行星际实测参数中,对Dst指数作用较为明显的是太阳风速度、太阳风质子密度和行星际磁场南向分量,同时,当前Dst指数实测值对今后几小时的Dst指数已有很强的制约作用.在统计分析的基础上,建立了全连接神经网络预报模型.由于采用了全连接神经网络结构,模式能够反映出太阳风、行星际磁场等参数与地磁Dst指数参数的复杂联系,可以自动建立输入参量的最佳组合方式,提高了预报精度.通过利用大量实测数据对神经网络模式进行训练,最终建立了利用优选的ACE卫星行星际监测数据提前2 h对Dst指数进行预报.通过检测,预报的误差为14.3%.      

宇宙黑暗时代探路者——鸿蒙计划

低频射电探测任务构想——鸿蒙计划旨在利用多颗卫星绕月编队形成超长波天文观测阵列,在月球背面开展空间低频射电天文探测。其科学目标是高精度测量全天射电频谱,揭示宇宙黑暗时代与黎明的演化历史;实现首次高分辨率超长波巡天,打开最后一个电磁窗口;观测太阳和行星超长波活动,揭示空间环境相互作用规律。该任务将获得超长波频段全天空图像,获取超长波波段天文射电源的强度、频谱、分布等信息。这些科学数据对于探索宇宙黑暗时代和黎明时代、研究银河系星际介质、宇宙线起源与传播、河外射电星系、类星体和星系团的演化、太阳活动与行星磁场等,具有重要的科学价值。     

月表磁异常影响的太阳风电子反射运动

模拟太阳风电子向月表运动的轨迹, 研究由于月表磁异常的存在造成的电子反射运动. 首先设定行星际磁场Bsw 指向月球并与月表垂直, 将月表的磁异常区看成是一个磁偶极子, 偶极矩大小为Mcb; 然后分别考察该偶极矩与行星际磁场方向平行, 反平行以及±90° 的情形, 通过计算发现, 被反射的电子数目会随着磁偶极矩和行星际磁场的方向改变而改变. 在偶极矩与行星际磁场平行的情况下, 反射率最大; 随着夹角的增大, 反射率减小. 这些结果为利用电子反射法高精度遥测月表磁场提供了很重要的信息.      

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．     

球坐标系六片网格下三维定态行星际太阳风模拟

采用二阶MacCormack差分格式, 利用稳态的磁流体(MHD)方程组在球坐标系六片网格下模拟研究了行星际太阳风. 六片网格系统能有效避免极区奇性和网格收敛性. 迭代按径向方向推进求解, 很大程度上减少了计算量, 节约了计算时间. 内边界条件根据太阳与行星际观测确定, 比较测试了5种内边界条件, 模拟给出了1922卡林顿周的背景太阳风结构. 几种内边界条件所得模拟结果与行星际观测基本吻合. 太阳风速度采用McGregor 等的经验公式给出, 磁场由水平电流片(HCCS)模型得到, 密度和温度分别根据动量守恒和气压守恒得到, 研究表明采用这样的边界条件模拟结果最佳.      

宇宙线北南各向异性的共转变化

本文统计分析了1971—1975年期间宇宙线北南各向异性及相关的太阳风和行星际磁场在卡林顿自转周中的变化,即共转变化.结果表明宇宙线北南各向异性与行星际磁场分量Bx、By有非常好的相关,相关系数高达0.8以上.利用地面观测的宇宙线各向异性有可能推求行星际磁场的极性.     

日—地科学

太阳是我们地球所在的太阳系里唯一可变化的恒星,这种随时间的变化来自太阳的旋转和内部的对流区,以及从太阳内部向日面传输热气。上述两种运动的相互作用即旋转和对流产生的所谓“太阳发电机过程”,人们至今并不十分了解,仅粗略地了解到有11年的周期。太阳的外部大气叫“太阳日冕”,并由它产生太阳风,这种“风”是一种不可见的热的,高速太阳等离子体,从日面一直贯通整个太阳系。 60年代初“水手二号”发现了包围地球及太阳系内其它行星的太阳风。由于我们居住的地球本身也有磁场,带有“冻结磁场”     

午后极光强度与太阳风-磁层耦合函数的相关

利用1997年和1998年南极中山站多通道扫描光度计的地面观测数据和Wind卫星在弓激波上游对行星际磁场和太阳风参数的观测数据,对午后高纬极光强度与太阳风-磁层耦合函数之间的相关性进行定量研究.研究表明,午后630.0nm极光强度与太阳风-磁层耦合函数间有很好的相关,而557.7nm的相关性差一些;在考察的所有耦合函数中,午后极光受太阳风电场和能量的影响更直接;同时,行星际磁场的时钟角对午后极光也有很强的控制作用.      

美芬联合研制卡西尼飞行器上的离子探测器

据１９９３年１２月６～１２日的美国《空间新闻》报道，美国和芬兰的联合研究小组，现正研制卡西尼探测器上用的离子探测器，卡西尼飞行器拟于本世纪末探测土星。该离于探测器由美国洛斯阿拉莫斯国立实验室和芬兰技术研究中心合制，它已于１９９３年１１月完成了定型试验。其能在卡西尼飞向土星时测量太阳风及其与土星磁层的相互作用。美芬联合研制卡西尼飞行器上的离子探测器@希舜