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.      

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.      

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.     

IMF北向时太阳风粒子向磁层输运的试验粒子模拟研究

以ACE卫星实时观测数据驱动的全球磁流体模拟为背景场,选取2003年10月22－24日行星际磁场（IMF）持续北向的事件,使用试验粒子方法,对太阳风粒子向磁层输运的过程进行模拟研究,分析北向IMF下太阳风粒子注入磁层过程中粒子在磁层内的空间分布和时间演化特征。IMF北向期间,进入环电流区域的粒子在晨侧区域的密度大于昏侧,且晨侧的粒子分布范围更广。背阳面磁鞘中的太阳风粒子可以通过低纬边界层进入磁层,但很难通过南北侧磁层顶进入磁层。进入磁尾的太阳风粒子聚集形成冷而密的等离子体片（CDPS）,模拟中CDPS的空间分布和密度大小与观测数据符合。在IMF长时间北向期间,磁尾的粒子数量呈现随时间增长的趋势,并存在约20 min的小幅度准周期变化和约5~6 h的较大幅度的准周期变化。      

太阳风中航天器带电与尾迹效应的模拟

航天器充电和尾迹效应会对周围等离子体造成扰动,影响测量装置结果的准确性.利用SPIS （Spacecraft Plasma Interaction Software）分别模拟了航天器与太阳风的相互作用,考察了光电效应以及航天器尺度对表面充电情况和尾迹效应的影响.结果表明:太阳风环境下,等离子体密度稀薄,电子电流比光电子电流小得多,航天器表面为正电势,航天器后部有清晰的尾迹结构,尾迹带负电;光电效应可改变尾迹结构,与无光电效应相比,光电效应使得航天器尾迹尺度变大;由于太阳风定向运动动能大于航天器表面势能,航天器的尾迹结构与其几何尺寸有关,航天器尺寸越大,尾迹尺度越大.      

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.      

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.      

近月空间带电粒子环境——“嫦娥1号”“嫦娥2号”观测结果

“嫦娥1号”（CE-1）、“嫦娥2号”（CE-2）都安装了1台太阳高能粒子探测器（High-energetic ParticlesDetectors,HPD）和2台太阳风离子探测器（Solar Wind Ion Detectors,SWIDs）,进行了月球轨道200 km和100 km空间环境探测,获得了月球轨道空间高能带电粒子（质子、电子和重离子）能谱随时间的演化特征、等离子体与月球相互作用特征以及太阳风离子速度、密度和温度参量。空间环境探测数据分析结果表明：太阳活动低年、空间环境扰动水平相对较低、月球处于太阳风中时,近月空间带电粒子环境的基本特征与行星际空间相比变化不大。CE-1、CE-2在轨运行期间,发现了多起0.1～2 MeV能量电子急剧增加事件,这些事件发生在月球从太阳风运动到磁尾的所有空间区域,其中20%的事件伴随着卫星周围等离子体离子加速。模拟和统计研究表明：能量电子急剧增加使得绕月卫星和月球表面电位大幅下降导致了离子加速现象的发生;能量电子总流量大于10¹¹ cm^-2时,绕月卫星和月球表面充电电位可达负的上千伏。此外,月表溅射与反射太阳风离子、太阳风“拾起”离子等空间环境事件的发现,揭示了太阳风离子和月球存在复杂的相互作用过程。     

月尘环境效应及地面模拟技术

介绍了月球尘的特点及其对探月活动的影响。在分析月球尘环境及其对月面探测器污染、磨损、阻塞、静电效应的基础上,对月球尘环境模拟技术、月球尘扬尘及其运动学和动力学规律、月球尘效应防护及试验评价方法等研究方向和重点提出了一些初步看法。针对研究内容的需求,梳理出一台完整的月球尘地面模拟试验设备应具备真空、温度、太阳风、太阳紫外、月球尘、月面电场、月面磁场等环境因素。在此基础上,设计了一种月球尘地面模拟试验装置方案,并对月球尘环境效应试验方法进行了初步讨论。为月球探测后期任务条件保障建设及相关研究工作提供参考。     

几种材料的磁层亚暴环模试验

<正> 一、引言星际空间存在运动着的带电粒子。当太阳风粒子到达地球磁层顶且随着太阳风粒子而来的星际磁场,指向地磁南极时,太阳风中的感应电流产生的附加场使地磁场发生畸变。迎着太阳的一面较为扁平,而背着太阳的一面形成一个很长的磁尾。在磁尾区,太阳风粒子的注入(它们的能量为几十电子伏到几千电子伏)引起了高能粒子的大量增加。这些高能粒子在     

Relation between solar wind velocity and properties of its source region

Different kinds of coronal holes are sources of different kind of solar winds. A successful solar wind acceleration model should be able to explain all those solar winds. For the modeling it is important to find a universal relation between the solar wind physical parameters, such as velocity, and coronal physical parameters such as magnetic field energy. To clarify the physical parameters which control the solar wind velocity, we have studied the relation between solar wind velocity and properties of its source region such as photospheric/coronal magnetic field and the size of each coronal hole during the solar minimum. The solar wind velocity structures were derived by using interplanetary scintillation tomography obtained at Solar-Terrestrial Environment Laboratory, Japan. Potential magnetic fields were calculated to identify the source region of the solar wind. HeI 1083 nm absorption line maps obtained at Kitt Peak National Solar Observatory were used to identify coronal holes. As a result, we found a relation during solar minimum between the solar wind velocity and the coronal magnetic condition which is applicable to different kind of solar winds from different kind of coronal holes.     

Advances in space research nonlinear dependence of Dst and AE indices on the electric field of magnetic clouds

Using the Dst and AE geomagnetic index values and parameters of interplanetary magnetic field and solar wind we have examined the geoeffectiveness of transient ejections in the solar wind, namely, magnetic clouds and high-speed streams. It is found that for magnetic clouds the dependences of indices on the solar wind electric field are nonlinear of different kind. In contrast to magnetic clouds, the dependence of Dst and AE geomagnetic index values on the solar wind electric field agrees closely with the linear one for high-speed streams. We suggest approximating formulas to describe dependences obtained taking into account the relation of the electric field transpolar potential to the electric field and dynamic pressure of the solar wind. We suppose that the interplanetary magnetic field fluctuations also contribute to these dependences.     

ICME期间磁暴的太阳风参数和极光沉降能量

基于1995-2004年ICME驱动的强烈磁暴(SA型)、强磁暴(SB型)和延迟型主相暴(SC型)三种磁暴类型,对1AU处太阳风动压、太阳风速度、行星际磁场、EK-L电场以及极光沉降能量进行时序叠加分析,并分别与-vBz耦合函数和Newell耦合函数进行对比.结果表明,三种磁暴在ICME到达前期的太阳风动压较稳定,背景太阳风、极光沉降能量、行星际磁场和磁层存在相对平静期. ICME到达前期SA型磁暴的背景太阳风速度、行星际磁场南向分量以及极光沉降能量的均值高于另外两种磁暴类型,这说明大型日冕物质抛射在ICME到达前就对行星际磁场、背景太阳风和HP产生了影响.磁暴急始后,SC型磁暴的EK-L电场斜率小,峰值延后且行星际磁场北向分量增强,这些都是磁暴主相延迟的表现,极光沉降能量随着行星际磁场转为南向而增加.     

The characteristics of sharp (small-scale) boundaries of solar wind plasma and magnetic field structures

We investigate properties of large (>20%) and sharp (<10 min) solar wind ion flux changes using INTERBALL-1 and WIND plasma and magnetic field measurements from 1996 to 1999. These ion flux changes are the boundaries of small-scale and middle-scale solar wind structures. We describe the behavior of the solar wind velocity, temperature and interplanetary magnetic field (IMF) during these sudden flux changes. Many of the largest ion flux changes occur during periods when the solar wind velocity is nearly constant, so these are mainly plasma density changes. The IMF magnitude and direction changes at these events can be either large or small. For about 55% of the ion flux changes, the sum of the thermal and magnetic pressure are in balance across the boundary. In many of the other cases, the thermal pressure change is significantly more than the magnetic pressure change. We also attempted to classify the types of discontinuities observed.     

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.      

The effects of the solar magnetic polarity and the solar wind velocity on Bz-component of the interplanetary magnetic field

We have studied the effect of both solar magnetic polarity and the solar wind velocity on the Bz-component of the interplanetary magnetic field, IMFBz, for the minimum activity of the solar cycles 21, 22, 23 and 24. We made a statistical study of IMFBz in the first section which is considered as an extension of Lyatsky et al. (2003). They made a statistical study of IMFBz for two periods of minimum solar activity 22 and 23 related to 1985–1987 and 1995–1997 when the solar magnetic field had opposite polarity. Our results seem to be consistent with the results obtained by Lyatsky et al. (2003). We found that there is a dependence of IMFBz on the IMFBx and the solar magnetic polarity for the minimum periods of the selected four solar cycles. In addition, we found that there is a dependence of IMFBz on the solar wind velocity.     

磁层顶旋转间断的稳定性

本文应用三层模式和ISEE卫星观测资料,讨论了磁层顶旋转间断的稳定性。结果表明:(1)在磁层顶旋转间断中可以激发一种不稳定性。随着波数k增大,不稳定性增长率也将增加。(2)当行星际磁场为北向时,磁层顶旋转间断是稳定的;当行星际磁场逐渐变为南向时,不稳定性增长率将迅速增加。(3)当太阳风速度较大时,不稳定性增长率相应地也较大。(4)当行星际磁场为南向时,随着行星际磁场与磁层顶切平面交角的增大,不稳定性的增长率也迅速增加。      

Solar wind governing the response of Venusian atmosphere and ionosphere

The ionosphere of Venus is primarily formed by photoionization of a gaseous blanket around Venus. The impact ionization by energetic solar charged particles also plays an important role in the variability of Venusian ionospheric ion, electron density and their temperature profiles. The microscopic variations in the solar wind velocity, particle flux and orientations of frozen-in interplanetary magnetic field determine the solar wind interaction with the Venusian ionosphere. The ion and electron density profiles obtained by Pioneer Venus Orbiter and Pioneer Venus Entry Probes have been analysed in the light of simultaneous solar wind velocity and particle flux. Marked changes in height profiles of ion, electron densities and their temperatures have been found to correlate with the simultaneous changes in the solar wind velocity and particle flux. It is shown that the solar wind plays a more important role in controlling the physical properties and behavior of daytime as well as nighttime ionosphere of Venus, whereas the solar xuv sustains the primary ionization process.     

Modeling and experimental study of the 27-day variation of galactic cosmic-ray intensity for a solar wind velocity depending on heliolongitude

We develop a three-dimensional (3-D) model of the 27-day variation of galactic cosmic-ray (GCR) intensity with a spatial variation of the solar wind velocity. A consistent, divergence-free interplanetary magnetic field is derived by solving the corresponding Maxwell equations with a variable solar wind speed, which reproduces in situ observed experimental data for the time interval to be analyzed (24 August 2007–28 February 2008). We perform model calculations for the GCR intensity using the variable solar wind and the corresponding magnetic field. Results are compatible with experimental data; the correlation coefficient between our model predictions and observed 27-day GCR variation is 0.80 ± 0.05.     

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.