磁云边界层中的重联慢激波观测分析

在Petschek模型中,排空区边界处的一对慢激波是能量耗散的重要机制.已有大量行星际空间的Petschek型磁场重联排空区观测事件被报道,但是只有少量的排空区边界处观测到了慢激波.针对一例位于磁云边界层中的Petschek型磁场重联排空区观测事件,在排空区靠近磁云一侧边界处证认了一例慢激波.激波跃变层两侧的磁场和等离子体参数满足Rankine-Hugoniot关系,且激波上下游的中间马赫数均小于1,上游的慢马赫数为2.94（>1）,下游的慢马赫数为0.65（<1）,符合慢激波的观测特征.磁云内部的等离子体β值很低,局地阿尔芬速度高,同时磁云边界层中可能发生丰富的磁场重联活动,这可能是磁云前边界处慢激波形成的原因.     

磁云边界层中的复合重联喷流观测分析

太阳风中的磁场重联通常与行星际日冕物质抛射有关.本文分析了1995年10月18日WIND飞船观测到的一例磁云前边界层中的复合重联喷流事件.该复合排空区由相邻两个不同方向的喷流构成,这两个喷流分别经过Walén关系的证认,符合行星际磁场重联排空区等离子体喷流的特征.结果表明,在磁云前端可能存在众多重联点,从而将磁云本体的磁场剥离,形成比单一重联喷流区更复杂的三维边界层结构.磁云边界层中可能发生多点多次重联,从而不表现出单点重联的排空区特征,这可能是行星际磁场重联排空区较少在ICME前端被观测到的原因之一.     

磁云边界层与间断的观测研究

利用WIND飞船的磁场和等离子体观测数据,分析了1995年2月至2003年8月之间82个磁云中的边界层事件.我们认为(1)磁云边界层中方向间断DD(Directional Discontinuity)类型中RD(Rotational Discontinuity),TD(Tangential Discontinuity),ED(Either Discontinuity),ND(NeitherDiscontinuity)的分布为37:18:44:1(%),与背景太阳风中的分布51:12:35:2(%)不同;主要区别在于RD与TD的比例变化. (2)磁云边界层的内外边界切向间断的比例很高,占总数的20%,而且两侧的密度和温度平均相对变化分别为|△N/N|=0.24和|△T/T|=0.19,大于边界层内部的平均值,显示了更多的切向间断特征;此外,磁云边界层中方向间断的出现频次约为太阳风中的1.87倍. (3)磁云边界层中方向间断的法向分布在θ-φ平面中不是随机分布,而是以θ=-24.90°,φ=217.49°为几何中心,主要是指向远离太阳的方向,而不是简单的各向同性分布.初步结果表明,间断是磁云边界层中的重要结构,它有着不同于背景太阳风间断类型比,为诊断磁云边界层的形成机理提供了依据.     

2008年4月24日行星际激波事件相关联的超热电子90°投掷角的增强

利用测试粒子数值模拟的方法研究了与STEREO-A卫星观测到的2008年4月24日行星际激波事件相关联的超热电子90°投掷角的增强.根据激波到达前给定时刻超热电子的观测分布,拟合得到不同投掷角的初始分布函数;在给定的激波参数下,采用时间向后的方法计算特定能道上激波下游超热电子的投掷角分布.由于超热电子具有较高的共振频率,模拟采用的磁场湍流谱包含了低能电子发生共振的耗散区.对以215.76,151.67,106.63,eV为中心的三个能道进行了模拟.结果表明,不同能道上超热电子在激波下游的投掷角分布均在90°投掷角附近出现峰值,呈现出明显的90°投掷角增强,这与观测结果符合得很好.可以认为在激波对电子的加速过程中,电子与湍流耗散区的共振对90°投掷角的增强具有重要作用.      

磁云边界层内朗缪尔波活动现象的初步研究

对35例磁云边界层内朗缪尔波活动现象进行了初步分析, 发现两类磁云边界层内特有的朗缪尔波活动现象. 一类是相对于邻近鞘区和磁云本体, 整个边界层内朗缪尔波活动增强; 另一类是短时间的朗缪尔波爆发现象, 同时伴随着宽频带的多普勒频移离子声波活动. 考察了其中一例朗缪尔波爆发事件对应的高分辨率电子分布函数数据, 发现速度约为7×10³ km/s的电子束流形成尾峰分布不稳定性导致了朗缪尔波的爆发.     

地球磁鞘中磁场起伏特性的分布

本文利用行星际起伏通过激波后的变化的MHD模型, 具体讨论了地球磁鞘中磁场起伏特性在黄道面内的分布.主要结果是:(1)行星际磁场起伏的强度和各向异性在磁鞘中被显著放大;(2)行星际磁场基本位于黄道面内时, 磁鞘中磁场起伏特性(强度、相对起伏和各向异性等)呈现明显的晨一昏不对称性, 早晨侧(准平行激波)显著地高于黄昏侧(准垂直激波);(3)行星际磁场方向对磁场起伏特性在磁鞘中的分布有强烈的控制作用, 早晨侧响应灵敏, 黄昏侧反响不大.相对地讲, 黄昏侧的磁活动较之早晨侧稳定;(4)行星际磁场转南的增强将导致磁鞘中磁场起伏的最大区域自黄道面低纬向北极高纬移动, 南-北不对称性磁活动随之加强, 最强大致出现在磁场与黄道面相交成大约45°时, 而晨-昏不对称性的强弱程度则发生相反变化;(5)行星际磁场的相对起伏增加, 晨-昏不对称性反随之减弱.磁鞘中磁场起伏分布的特性与卫星观测大体符合, 是磁顶、边界层某些晨-管不对称性出现的可能起因之一.      

第24太阳活动周地球附近磁云与非磁云事件的统计分析

为研究第24太阳活动周中磁云（Magnetic Clouds,MC）与非磁云（Non-Magnetic Clouds,non-MC）的等离子体性质及其对空间天气的影响,使用1AU处的观测数据对2008-2015年168个ICME事件进行统计与分析,其中认证出磁云事件68个,占总数的40.48%.通过分析磁云与非磁云等离子体参数对空间天气环境的影响及与太阳活动的关系,整体性质的对比及在第23和24太阳活动周中性质的对比,可以发现：在第24太阳周中,磁云引起的磁暴强度普遍大于非磁云,南北向磁场分量是引起磁暴的重要参数;磁云数和太阳黑子数有很好的相关性,非磁云数与行星际日冕物质抛射总数及黑子数的相关性稍弱,磁云数在太阳周的不同阶段表现出不同的分布特性;磁云的磁场强度和南向磁场分量整体强于非磁云,两者质子温度、密度等参数差异不大.第24周磁云事件引起的地磁效应整体上弱于第23周磁云事件,这与第24周磁云事件最大南向磁场分量、传播速度以及质子温度整体小于第23周磁云事件有关.     

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.     

太阳表面水平运动驱动的磁圈与开放磁场重联的模拟研究

太阳大气的诸多观测事件(如耀斑、喷流等)均被归因于磁重联产生的能量转换. 近年来, 关于太阳风起源, 有研究提出了磁重联使闭合磁圈开放为太阳风供应物质的新模式. 在该模式中, 闭合磁圈被光球超米粒组织对流携带, 向超米粒边界运动, 与位于边界的开放磁场相碰撞进而发生磁重联. 该模式中磁重联的驱动及其效应是本文的研究目标. 磁流体力学(MHD)数值模拟是研究太阳大气磁重联物理过程的重要途径. 本文建立了一个二维MHD数值模型, 结合太阳大气温度和密度的分层分布, 在超米粒组织尺度上模拟了水平流动驱动的闭合磁圈与开放磁场的重联过程. 通过对模拟结果的定量分析, 认为磁重联确实能够将闭合磁圈的物质释放, 进而供应给新的开放磁结构并产生向上流动. 该结果为进一步模拟研究太阳风初始外流奠定了基础.     

用于GMA的新型永磁偏置闭合磁路

利用ANSYS有限元软件进行仿真模拟,对超磁致伸缩执行器(GMA,Giant Magnetostrictive Actuator)的磁路结构进行了分析和优化.根据磁致伸缩棒内磁场均匀性好,场外漏磁小的设计目标,利用极性相反的双永磁补偿原理,提出了一种新型的内置式永磁组合偏置结构,使得沿磁致伸缩棒长方向磁场分布均匀的同时,偏置磁场和激励磁场都形成良好的闭合磁路.ANSYS分析结果表明,棒中偏置磁场不均匀度为3.51%,激励磁场不均匀度为8.73%,均满足不均匀度小于10%的设计目标;在执行器指定位置(距离GMA 7 cm)的总漏磁场强度为30.4 A/m,符合实际应用的标准要求(<80 A/m).     

磁云—高速流相互作用的数值模拟

对１９７８年８月２７至２８日期间观测到的磁云与尾随高速流的相互作用进行数值模拟，基本拟合了１ＡＵ处的观测剖面。模拟结果表明，磁云－高速流系统将导致前向快，慢激波和后向快激波的形成。     

Effect of Interplanetary Transients on Cosmic Ray Anisotropic Variations

In the present work the cosmic ray intensity data recorded with ground-based neutron monitor at Deep River has investigated taking into account the associated interplanetary magnetic field and solar wind plasma data during 1981—1994.A large number of days having abnormally high/low amplitudes for successive number of five or more days as compared to annual average amplitude of diurnal anisotropy have been taken as high/low amplitude anisotropic wave train events(HAE/LAE).The amplitude of the diurnal anisotropy of these events is found to increase on the days of magnetic cloud as compared to the days prior to the event and it found to decrease during the later period of the event as the cloud passes the Earth.The High-Speed Solar Wind Streams(HSSWS)do not play any significant role in causing these types of events. The interplanetary disturbances(magnetic clouds)are also effective in producing cosmic ray decreases.Hαsolar flares have a good positive correlation with both amplitude and direction of the anisotropy for HAEs, whereas PMSs have a good positive correlation with both amplitude and direction of the anisotropy for LAEs. The source responsible for these unusual anisotropic wave trains in CR has been proposed.     

Model-independent large-scale magnetohydrodynamic quantities in magnetic clouds

Magnetic clouds are the interplanetary manifestation of coronal mass ejections, which are transient expulsions of major quantities of magnetized plasma, from the Sun toward the heliosphere. The magnetic flux and helicity are two key physical magnitudes to track solar structures from the photosphere-corona to the interplanetary medium. To determine the content of flux and helicity in magnetic clouds, we have to know their 3D structure. However, since spacecrafts register data along a unique direction, several aspects of their global configuration cannot be observed. We present a method to estimate the magnetic flux and the magnetic helicity per unit length in magnetic clouds, directly from in situ magnetic observations, assuming only a cylindrical symmetry for the magnetic field configuration in the observed cross-section of the cloud. We select a set of 20 magnetic clouds observed by the spacecraft Wind and estimate their magnetic flux and their helicity per unit length. We compare the results obtained from our direct method with those obtained under the assumption of a helical linear force-free field. This direct method improves previous estimations of helicity in clouds.     

Giotto/Cometary dust interaction event near the comet Halley ionopause

Plasma and magnetic field disturbances accompanying dust particle impacts are explained by means of creation of a secondary cloud around the spacecraft. Cold cometary ions impinging upon the cloud are scattered by atoms of the cloud. This scattering changes initial angular distribution of cometary ions. Magnetic field perturbation is created by the friction between the electron component of the cometary plasma flow and the cloud.     

磁云膨胀速度对无力场磁通量管模型拟合结果的影响

为了考察磁云膨胀速度对磁通量管模型拟合结果的影响,选取了1998-2003年中15次引起了较大地磁暴(Dstmin＜-50 nT)的典型磁云事件进行了拟合.与未考虑膨胀速度模型的拟合结果比较,膨胀速度的引入能较好地改善拟合结果,与观测数据的偏差最大能减小30%,并且拟合所得的膨胀速度基本符合统计规律.这个结果说明膨胀的磁通量管模型能更好地反映实际观测的磁云.同时,初步分析了考虑膨胀速度前后磁云各拟合参数的变化.     

A 3rd Order WENO GLM-MHD Scheme for Magnetic Reconnection

A new numerical scheme of 3rd order Weighted Essentially Non-Oscillatory (WENO)type for 2.5D mixed GLM-MHD in Cartesian coordinates is proposed. The MHD equations are modified by combining the arguments as by Dellar and Dedner et al to couple the divergence constraint with the evolution equations using a Generalized Lagrange Multiplier (GLM). Moreover, the magnetohydrodynamic part of the GLM-MHD system is still in conservation form. Meanwhile, this method is very easy to add to an existing code since the underlying MHD solver does not have to be modified. To show the validation and capacity of its application to MHD problem modelling,interaction between a magnetosonic shock and a denser cloud and magnetic reconnection problems are used to verify this new MHD code. The numerical tests for 2D Orszag and Tang's MHD vortex,interaction between a magnetosonic shock and a denser cloud and magnetic reconnection problems show that the third order WENO MHD solvers are robust and yield reliable results by the new mixed GLM or the mixed EGLM correction here even if it can not be shown that how the divergence errors are transported as well as damped as done for one dimensional ideal MHD by Dedner et al.