代数重建法反演环电流分布的初步结果

TC-2卫星携带了高能中性原子成像仪.在理论上可以根据对中性原子的探测通过反演获得磁层中环电流的空间分布.开发了一种新的反演技术和算法来反演环电流的分布.文中将层析成像技术引入反演环电流区离子分布,把磁层空间环电流区域划分为网格并依据层析成像常用的代数重建法反演环电流的分布.反演前后的电流离子分布具有一致性,证实了这种反演方法的可行性.通过对比反演结果与初始分布,模型通过较少的假设和简单的步骤就可以获得全面的环电流信息.      

磁暴期间环电流离子中性原子成像的模拟与观测比较研究

采用已经建立的环电流离子解析模型,结合Chamberlain地冕中性层模型,研究了2004年11月一次大磁暴期间的环电流区域中性原子(ENA)图像.结果表明,模拟的ENA图像与TC-2卫星搭载的中性原子成像仪(NUAUD)的观测图像在方位角或地方时分布、高度或纬度分布和能谱分布方面存在一定的差异.如果依据磁暴发展的不同阶段来选择环电流离子模型的方位角不对称因子和通量最大方向的方位角,增大地冕中性层在低高度区域的密度或者考虑氢(H)以外的其他中性成分,改进注入边界处的离子能谱分布函数,且考虑不同种类环电流离子的比例随磁暴发展可能发生的变化,该模型有望产生更符合观测的模拟ENA图像.     

伴随磁层稳态对流的磁暴及磁暴期间环电流的特征

参考活跃的磁层稳态对流标准,选取了2001—2017年12个伴随磁层稳态对流的磁暴,研究发现这些磁暴存在以下共性：有长达约10h的漫长主相;其SYM-H存在一个最小值的平台期,约持续3～10h;这些磁暴发生时,部分环电流持续位于昏侧,其持续时间和行星际磁场分量B_z的稳定南向驱动时间相等.此外,这些磁暴发生时,其平台期的环电流离子的寿命为2.4～5.5h,比一般的大磁暴事件中离子寿命长,且其寿命与平台期长短没有明显关系.伴随稳态对流的大磁暴发生时,环电流离子寿命长,环电流衰减慢,推测是稳态对流期间能量持续而稳定注入磁层导致的.     

用数值模拟的方法研究磁暴主相期间影响环电流分布特征的要素

环电流是距离地心2～7 Re的带电粒子围绕地球西向漂移形成的.环电流的增强将引起全球磁场的降低,反映了地磁暴的强度.磁暴主相期间,对流电场驱动等离子体片中的能量粒子经历E×B漂移与俘获注入环电流,进入损失锥的粒子沉降到大气中.本文采用磁暴主相期间环电流离子分布的模型,结合上述因素研究不同离子能量下对流电场对环电流离子通量的直接影响,以及强弱对流电场下环电流能量离子投掷角的变化,并从物理上阐述造成此种通量分布特性的原因.     

电离层Es离子分布数值建模

从离子连续性方程和动量方程出发,比较全面地考虑了太阳光电离、星光电离、地冕电离、星际背景电离和流星离子流等电离源,综合分析Es层的主要动力学过程和光化学过程,以风剪切理论为基础,研究中性成分碰撞、电场作用、金属离子作用和分子离子作用等机制对离子分布的影响,建立了一维时变电离层Es物理模型.对离子产生率、垂直方向的离子速度在高度和时间上的变化进行仿真和计算,得到了在电场及风剪切作用下的离子密度剖面24h内的变化规律.根据建立的模型,以昆明相干散射雷达观测的径向风结果作为模型输入参考,仿真并得到了电离层Es电子密度的时空分布,据此反演出电离层Es临界频率f₀E_s.与昆明站电离层测高仪同时间观测的情况进行对比,结果比较一致,验证了建立的Es层物理模型正确性.     

由环电流的宇宙线效应验证二维对称环电流模型

本文利用不同纬度超中子堆记录的宇宙线强度, 对不同磁暴类型下环电流的宇宙线效应进行了分析。加强的西向环电流使宇宙线截止刚度下降, 在某些特大的磁暴中, 中低纬字宙线截止刚度下降可达1GV以上, 从而使宇宙线强度增加。利用二维对称环电流模式, 从宇宙线的角度计算了环电流的磁暴效应。与实际观测值的对比显示, 除非特大的磁暴过程, 利用该模式所得结果与实际观测符合得较好。     

磁暴期间电离层电磁离子回旋波的地方时分布差异

利用Swarm卫星的高精度(50 Hz)磁场观测数据,对2015年3月16-25日磁暴期间中纬度电离层电磁离子回旋(EMIC)波时空分布特征进行了研究.结果表明:晨侧EMIC波事件数与昏侧大致相当,午前时段明显多于子夜前时段.昏侧EMIC波高发生率与等离子体羽状结构有关,晨侧EMIC波高发生率与太阳风动压增强及稠密冷等...     

部分球壳分布离子流激发的电磁不稳定性

在离子环束流和低频电磁波相互作用的过程中廓了环束流将演化成具有投掷角展宽的部分球壳速度分布离子流,其投掷角展宽随时间增大,低频右旋电磁不稳定性增长率峰值,总的说来也逐渐增大,并向高频短波方向移动,与此相反,低频左旋电磁不稳定性增长率峰值,当投掷 角展宽等于０时,大于右旋不稳定性峰值,但随着投掷角展宽增加而迅速低于右 性增长率峰值,并向工波方向移动。     

一种改进的定频数字滞环电流控制策略

针对机载电动静液作动器(EHA)用20 k W级大功率无刷直流电机,提出了一种改进的定频数字滞环电流控制策略(HCCS)。在此控制策略中,通过对PWM_ON调制模式下相电流数学模型的构建以及相应电流环控制模式的分析,对一种综合三角载波控制和滞环电流控制的混合滞环电流控制进行改进,设计了一种实现简单、控制稳定、具有过流保护功能以及功率元件开关频率有条件固定的改进的准定频滞环电流控制策略,并通过数字化处理,引入数字化规则,实现完全的定频控制。仿真和实验结果表明,此控制策略能够实现大功率无刷直流电机控制时固定的功率元件开关频率以及高频率响应,将为高性能大功率无刷直流电机高效的电流控制提供一条新路径。     

磁暴期电离层离子上行能通量的统计关系研究

利用FAST卫星1997 － 2006年34个磁暴期149个轨道的观测数据,分析不同相位上行通量数量级,研究不同相位离子上行能通量与地磁活动Sym-H指数和Kp指数,以及注入的Poynting通量之间的关系,构造上行通量经验模型。研究结果表明：磁暴主相期间,上行离子能通量可超过108 eV·cm–2·s–1·sr–1·eV –1量级,初相和恢复相期,上行离子能通量可超过107 eV·cm–2·s–1·sr–1·eV –1量级,主相期能通量均值普遍高于初相和恢复相;磁暴初相期间,上行离子能通量与Sym-H、Kp以及Poynting通量成显著正相关,相关系数分别为0.890、0.664和0.660;磁暴主相期间相关系数分别为0.858、0.823和0.541。以磁暴主相为例,上行离子能通量与Sym-H和Poynting通量的经验公式为\begin{document}$ {J}_{{i}^{+}}={10}^{5.324 \pm 0.581}\times {\left(\mathrm{S}\mathrm{y}\mathrm{m}{\text{-}}H\right)}^{1.465 \pm 0.340} $\end{document},$ {J}_{{i}^{+}}={10}^{6.469 \pm 0.798}\times {{S}_{\mathrm{d}\mathrm{c}}}^{0.888 \pm 0.703} $。初相期间,由于地磁扰动时能量快速注入,电离层离子迅速获能,上行离子能通量与地磁扰动指数呈现较高的相关性,同时主相期上行离子能通量的增幅跨越两个量级;向下的Poynting通量导致的焦耳耗散是离子获能的重要来源之一,因此上行离子能通量与Poynting通量有较强的相关性。恢复相期间地磁活动趋于平静,上行离子能通量低于主相期的能通量。     

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.     

太阳高能粒子观测特征经向分布统计

基于多卫星联合观测数据,筛选了2006年12月至2017年10月期间122个太阳高能粒子（SEP）事件及其伴随的日冕物质抛射（CME）,分析了SEP事件属性随相对经度的变化、与CME属性之间相关性的经向分布以及与Fe/O比值的关联.研究结果显示：低Fe/O类事件的峰值通量I_p通常更高,伴随CME更大,但通量上升速度较慢,且其D_u（持续时间）和I_p与CME速度呈现更强的相关性;SEP特征时间T_O（CME爆发至SEP事件爆发）与T_R（SEP事件爆发至半峰值）随相对经度增加而增大,D_u与I_p随相对经度增加而减小,通量上升斜率K在±90°范围内自东向西递减;SEP事件属性与伴随CME属性的相关性随相对经度的改变有明显变化,在磁连接好的位置,T_O与CME速度等属性呈现负相关,T_R与CME速度等属性呈现正相关,D_u,I_p与CME速度之间的相关性更强.研究结果进一步表明,SEP事件观测属性既与CME参数相关,同时又具有很强的经度依赖性,在磁连接越好的位置卫星观测到的SEP事件强度越高,SEP观测参数受CME的影响越大,这对大型SEP事件的预报很有意义.此外,高Fe/O类SEP事件与CME相关性的减弱暗示了耀斑加速、种子粒子源等因素的影响.     

太阳风扰动对极光电急流和环电流指数的影响

利用WIND卫星的太阳风观测数据和地磁活动指数, 研究了太阳风扰动对环电流SYM-H指数, 西向极光电急流AL指数和东向极光电急流AU指数的影响. 结果表明, 太阳风动压增长和减少能够同步或延迟引起地磁活动指数的强烈扰动, 其包括环电流指数的上升, 西向极光电急流指数的下降和东向极光电急流指数的上升. 太阳风动压的突然剧烈增加还能够触发超级亚暴和大磁暴. 太阳风动压脉冲引起的地磁效应具有复杂的表现形式, 这说明太阳风动压脉冲的地磁效应不仅与太阳风动压脉冲大小和持续时间有关, 还与磁层本身所处的状态有关. 时间尺度较长, 消耗能量较大的磁暴只有大的持续时间较长的太阳风动压脉冲才能激发.     

Case study of September 24–26, 1998 magnetic storm

We compute global magnetospheric parameters based upon solar wind data obtained from the WIND spacecraft upstream. Using the paraboloid magnetospheric model, calculations of the dynamic global magnetospheric current systems have been made. The solar wind dynamic pressure, the interplanetary magnetic field, the strength of the tail current, and the ring current control the polar cap and auroral oval size and location during the magnetic storm. The model calculations demonstrate that the polar cap and the auroral oval areas are mainly controlled by the tail current. The substorm onset at 0630 UT on September 25, 1998 happened near the minimum in the main phase field depression. The substorm expansion onset time is also marked by a sudden enhancement in the solar wind dynamic pressure and an enhancement in the tail current. The magnetic signatures of these two effects cancel each other, which explains why the D_st profile shows no strong time variation during the substorm. Evidence for the substorm expansion includes not only the signature in the AL index but also the strong asymmetry of the low latitude magnetic disturbances (substorm positive bay signature). Model calculations were checked by comparison with the GOES 8 and 10 magnetic field measurements.     

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.     

低高度空间高能质子通量分布计算

介绍了AP-8模式、CRRESPRO模式和PSB97模式,并用这3种模式分别计算低高度空间300-1100km范围内的高能质子通量分布,由IDL软件绘出通量等值线图.AP-8模式通量主要受银河宇宙线调制,即受太阳活动直接影响,与太阳活动高年相比,太阳活动低年的质子通量较大;CRRESPRO模式中,因活动期和平静期的数据采集时间前后相差很短,从而使同一高度上两种环境条件下的通量分布相似.模式之间的比较结果表明,AP-8模式通量较小,CRRESPRO模式通量较大,PSB97模式通量介于二者之间,并与实测通量接近.PSB97是为低高度(1000km以下)定制的模式,在低高度上优于AP-8模式和CRRESPRO模式,能较好地计算当前条件下的低高度高能质子通量.