时变行星际太阳风模拟及其结果评估

背景太阳风对于地球附近的空间环境有着重要的影响,三维磁流体力学太阳风模型是背景太阳风研究和预报的重要工具.通过太阳光球磁场数据驱动的边界条件,我们发展了一个时变的行星际三维磁流体力学太阳风模型.使用这个模型,我们模拟了2008年全年的行星际背景太阳风,分析了该年太阳风结构全球特征的演化和行星际局地观测与日冕结构间的联系.实现了一套太阳风连续参数和特征结构模拟质量的定量评估方法.对2008年模拟结果的评估表明,模型较好地重现了背景太阳风的大尺度特征.模拟与观测速度间的相关性系数达到了0.6以上,行星际磁场强度与观测吻合得较好,捕获了全部的行星际磁场极性反转和82.76%的流相互作用区,行星际磁场极性反转的误报率仅为6.67%,流相互作用区的误报率仅为11.11%,两种结构的到达时间误差在1天左右.同时,通过综合分析评估结果,我们明确了高速流结构、内边界磁场分布等模型在进一步改进中需要重点注意的问题.     

地球远磁尾中的磁场重联——（Ⅱ）局部驱动力的影响

基于可压缩磁流体动力学模型,数值研究了由太阳风引起的局部驱动力对地球远磁尾中磁场重联的影响.结果表明,在远磁尾等离子体片中将发生强迫磁场重联,并形成磁岛和等离子体团.形成磁岛的特征时间很大于流动撕裂模不稳定性引起磁岛非线性饱和的特征时间.磁岛宽度随着磁Reynolds数S的增大而减小,随着尾瓣中等离子体压力与磁压之比值β_∞的降低而减小.认为太阳风引起的局部驱动力对地球远磁尾等离子体片中磁场重联的影响,可能不如流动撕裂模不稳定性那样显著.     

地球磁尾等离子体片磁洞的统计分析

本文利用THEMIS卫星的磁场数据和等离子体观测数据,统计分析地球磁尾等离子体片区域线性磁洞的发生率、时空尺度、分布特征、和发生率与地磁AE指数的相关性.分析结果表明磁尾等离子体片区域的磁洞的时间尺度为几秒到几十秒,空间尺度小于当地的质子回旋半径.通过磁洞在空间的位置分布和卫星数据在空间的数据采样分布的对比,我们发现线性磁洞在等离子体片内经常发生,然而在磁尾等离子体片中的发生率要小于太阳风中磁洞的发生率.本文最后统计分析了磁洞发生和AE指数的相关性,结果表明磁洞可能与地磁活动有关系.     

2003年11月20日磁暴主相期间磁鞘的观测研究

2003年11月20日磁暴主相期间,Cluster卫星正好处在黄昏侧的磁鞘附近.在主相期间磁鞘磁场Bz分量大约为-60 nT,这和ACE卫星观测值基本一致.同时,磁鞘中的离子速度分布对磁鞘中的磁场方向有很强的依赖性.行星际电场Ey在磁鞘中大约是50 mV/m.磁鞘中这些极端的磁场,电场和离子的流动驱动了迄今23个太阳活动周期中最大的磁暴,其Dst指数是-472 nT.Cluster卫星观测发现磁鞘中离子的数密度比较低,这可能是由磁云经过地球时太阳风的低密度造成的.磁鞘中能量范围为1～10 keV的H+,He+和He2+的数密度主要是由磁鞘中太阳风的数密度决定的.同时,对磁鞘中存在大量的1～10 keV氧离子进行了讨论.在极端的南向行星际磁场条件下,磁层顶受到很强的压缩.氧离子可以利用较大的回旋半径,在强压缩的磁层顶和磁鞘对流的共同影响下进入磁鞘.这也表明了磁层对极端行星际条件的一种响应.Cluster卫星在11月20日磁暴事件中的观测研究,对进一步全面认识大磁暴事件有很重要的作用.     

等离子体片边界层内静电离子束流-密度漂移不稳定性

本文研究了地球磁尾等离子体片边界层内由离子束流和等离子体密度梯度联合作用产生的静电不稳定性.模型等离子体由向尾流动的冷离子束流、向地球流动的暖离子束流和背景暖电子组成,等离子体密度是非均匀的,等离子体β（热压强与磁压强之比值）很小,电子等离子体频率与电子退旋频率之比。ω_e/Ω_e》1.结果表明,斜传播的静电快、慢离子束流-密度漂移模能够被激发。     

太阳风湍流和磁层亚暴的一种机制

太阳风的动量涨落将通过磁层边界在磁尾激发磁流体力学波。快磁声波携带扰动能量传到等离子体片中,发展为激波,或者通过激波的相互作用而耗散能量,使等离子体加热。等离子体片中的随机费米加速机制,使麦克斯韦分布尾巴部分的高能量粒子被加速到更高能。在宁静态时,加热、加速与耗散过程平衡。当太阳风的动量或者其涨落较大时,整个加热和加速过程加剧,更多的高能粒子产生,并从等离子体片中逃逸,形成高速的等离子体流注入近地轨道和极区,表现为磁层亚暴过程。利用这种机制,可以解释地球磁层亚暴的定性特征。     

磁尾等离子体片中周期性高速流相伴随磁场超低频波

本文利用Cluster卫星2004年11月8日的观测数据,分析了磁尾等离子体片中与地向周期性高速离子流相伴随的ULF波.结果显示周期性高速流的速度波动与磁场和温度中的ULF波同时出现、同时增强、同时消失,而且波动的频率都集中在60~70 mHz.这说明磁场和温度ULF波与周期性高速流密切相关,周期性高速流是ULF波产生的来源.高速流波动的相位与磁场波动的相位大致反相关,与热离子温度波动的相位正相关,同时磁场波动与热离子温度波动呈相位反相关的特性.最小方差法分析的结果显示虽然波传播方向有地向分量,但其主要传播方向是向等离子体片中心传播,并与周期性高速流速度方向垂直.以上观测说明是高速流的周期性变化产生了磁场在Pi1频率范围内的ULF波.     

磁尾等离子体片区氧离子丰度对离子剪切流的开尔文-赫姆霍茨不稳定性的影响

考虑等离子体片区存在源于电离层的氧离子,研究了离子剪切流在低频表面波扰动情况下的开尔文-赫姆霍茨(K-H)不稳定性.在氧离子流与质子流具有近似相同的宏观流速假定下,采用磁流体力学(MHD)近似,并且考虑在磁场方程中保留速度场涡量项,推导出沿磁场方向传播的表面波线性扰动的色散关系.在等离子体片边界层区,发现随着氧离子相对丰度的增加,产生K-H不稳定性的最大临界扰动波长可增大到20RE(地球半径).对于给定的氧离子丰度,临界剪切相对扰动波长的变化存在一个最小值.氧离子丰度越高,最小临界剪切值越小,对应的扰动波长(称最不稳定波长)也越长.高氧离子丰度的不稳定性增长率随速度剪切增加而增加,快于低氧离子丰度.不稳定性增长率随速度剪切增加的最大饱和值接近对应的离子回旋频率.在地磁活动期间,由等离子体片中氧离子丰度增加而增大的沿磁场传播的表面波不稳定性对于理解低频磁脉动事件和磁层亚暴过程也有着十分重要的意义.     

近地磁尾方位角流能量转换过程

高速流是磁尾等离子体片中质量、能量和磁通量最重要的输运形式.高速流在地向运动到近地磁尾后流速会降低,主导方向也经常转为晨昏方向.在等离子体流速及其主导分量、密度和温度等宏观参数变化的过程中,可能伴随有不同类型的能量转换.为此,我们分析近地磁尾方位角流事件期间的能量转换过程.基于整体流速的主导分量为晨昏向,及事件期间的平均温度比其前后增强的选取原则,从2008—2020年期间THEMIS中的三颗卫星(THA,THD,THE)运行在磁尾时的观测数据中,共筛选出821个平均温度比其前/后(事件之前或事件之后10 min)升高的方位角流事件.2011年5月16日的方位角流事例研究发现：能量超过1 keV尤其是超过10 keV的高能离子通量增加,可导致低速低温等离子体的密度、温度和流速增加;磁场减小及磁场功率谱密度的分析表明等离子体和磁能的转换发生在频率为0.01～0.334 Hz的低频波动,仅1%能量耗散.统计给出方位角流事件的平均温度约为3.7 keV,比其前后增加的幅度大部分集中在100～1000 eV.事件期间的平均数密度可能升高或者降低,二者概率大致相当.约96%的平均温度和密度同时大...     

伴随着高速流的磁尾电流片拍动观测研究

磁尾电流片在磁尾动力学过程中起着重要作用.卫星观测表明磁尾电流片经常处于拍动状态.但磁尾电流片拍动的特性和产生机制至今仍然没有被完全弄清楚.本文主要利用欧洲空间局Cluster卫星数据,研究一个伴随高速离子流的电流片拍动事件.该电流片拍动事件具有很强的周期性.拍动的周期约是2min,磁场振荡幅度约为20nT.能量电子和离子的通量具有周期性增强和减弱的特征.电流密度X和Y分量也具有周期性的振荡,并且振荡周期与磁场振荡周期一致.通过对粒子流速矢量与电流矢量的分析,发现粒子运动具有涡旋的特征.因此可以推断,该磁尾电流片的拍动不是由磁尾等离子体片高速流产生的,而是与局地等离子体不稳定性有关.     

日侧伴随电子加速的离子上行事件的分布特征

本文基于2005年1月和7月DMSP F13卫星的观测数据,研究了日侧伴随电子加速的顶部电离层离子整体上行事件的分布特征.结果表明,离子上行主要发生在磁纬70°～80°MLAT范围内,加速电子磁层源区对应低纬边界层和等离子体片边界层;冬季上行存在明显的“晨昏不对称性”,主要发生在晨侧(06∶00—09∶00 MLT),夏季上行主要发生在磁正午(09∶00—15∶00 MLT),以磁正午为中心近似呈对称分布,并且冬季离子上行发生率显著高于夏季;离子上行发生率在中等地磁活动时期显著增强,上行区域随着地磁活动的增强向低纬度方向扩展;行星际磁场B_x>0时,对应等离子体片边界层13∶00—18∶00 MLT和06∶00—09∶00 MLT区域内上行发生率增加,行星际磁场B_y的方向会导致上行高发区以磁正午为中心发生反转,行星际磁场南向时,上行发生率增强;冬季离子上行平均速度高于夏季.     

极区电离层对流速度的浅层神经网络建模与分析

电离层对流是太阳风与地球磁场相互作用下驱动的磁层大尺度对流循环与对流电场在极区电离层的映射,与行星际磁场-地球磁场耦合系统息息相关.本文基于SuperDARN(Super Dual Aurora Radar Network)分布在北半球的23部高频相干散射雷达获取到的二维电离层对流速度对其进行建模研究.模型输入为行星际...     

太阳风中磁场与等离子体流耦合的探讨

本文在忽略太阳风中磁场对粒子流温度影响的情况下,利用了两个研究太阳风的二元流体模型的结果,计算分析并讨论了在1AU内太阳赤道面附近,考虑磁场与等离子体流耦合后,各太阳风参数的变化情况。结果表明,太阳风中磁场对等离子休流的作用在方位角向较显著;磁场使太阳风方位角速度在1AU处的值可达到1.85km/s;低速太阳风的角动量主要由其中的磁场携带,磁场能逐步将其角动量传输给等离子体流。     

磁层亚暴扩展相的数值模拟

本文用多步隐格式方法,求解包含电阻的磁流体力学方程组,对磁层亚暴扩展相作数值模拟.计算结果展现了亚暴扩展相期间磁尾变化的主要特征.它表明,球向和尾向等离子体流与准稳态重联有关.等离子体团的尾向喷发,致使中性线尾侧电流片内的密度降低,等离子体片变薄.中性线近地侧的等离子体团朝着地球运动,并合并于地球附近的重联区内.     

亚暴膨胀相近磁尾位形不稳定性模型Ⅱ.中磁尾等离子体流与近磁尾亚暴活动的关系

在单流体MHD近似下，研究了有背景等离子体流存在时的近磁尾位形不稳定性．分析表明，等离子体地向流使两支漂移气球模DBM1和DBM2的不稳定增长更快．与卫星观测资料对比显示，诸多的观测观象与本模型的预言一致．这个结果对中磁尾磁场重联及高速等离子体流与亚暴膨胀相在近地触发之间的关系给出了新的解释．     

基于MESSEGER观测对水星磁尾电流片磁场分布的统计研究

本文利用信使号飞船2011-2015年期间在轨磁场数据对水星磁尾电流片的磁场结构分布特征进行了统计分析.为探究磁场结构分布随水星径向距离的变化,电流片划分为近磁尾（-1.5R_M > X > -2.0R_M）和远磁尾（-2.0R_M > X > -2.5R_M）两个区域.所得结果表明：（1）无论是近磁尾还是远磁尾,电流片中的磁场都以+B_z分量为主,磁场方向几乎与磁赤道面垂直.（2）相比近磁尾,远磁尾电流片中磁场强度、B_z分量较弱,B_y分量较强,而且-B_z信号出现概率相对较大,这表明电流片中磁活动相对容易在远磁尾中发生.（3）磁场强度以及B_z分量在晨昏方向上的分布存在晨昏不对称性——在方位角120°~190°范围内相对较弱.弱B_z数据点（B_z<5 nT）也在昏侧（Y>0）发生较为频繁.（4）与B_z分布相反,磁场强B_y分量（|B_y|>5 nT）倾向于在晨侧（Y<0）发生.统计分析还表明,磁场B_y分量与行星际磁场B_y分量并无明显的相关性.对比地球磁尾电流片,我们对水星磁尾电流片B_z分量、强B_y分量的晨昏不对称起源机制作了探讨分析.     

亚暴膨胀相近磁尾位形不稳定性模型Ⅱ.中磁尾等离子体流与近磁尾亚暴活动的关系

在单流体MHD近似下，研究了有背景等离子体流存在时的近磁尾位形不稳定性．分析表明，等离子体地向流使两支漂移气球模DBM1和DBM2的不稳定增长更快．与卫星观测资料对比显示，诸多的观测观象与本模型的预言一致．这个结果对中磁尾磁场重联及高速等离子体流与亚暴膨胀相在近地触发之间的关系给出了新的解释．     

磁场偶极化过程中磁尾离子加速:Ⅱ上行离子速度和能量的变化

根据采用动力学方程对亚暴期间磁尾磁场向偶极形弛豫过程中离子分布函数的模拟结果 ,研究了磁尾来自电离层的O+,H+和He+离子的速度及能量随时间的变化 .主要结果为 :（1 ）离子的加速及能量变化主要发生在磁场偶极化过程的中期 ,对应的地心距离位于- 1 2RE到 - 8RE 之间 ;（2 ）垂直于磁场方向上离子加速及能量变化较快 ,平行方向上较慢 ;（3）轻离子较重离子加速及能量变化快 ,磁场偶极化终结 ,3种离子的能量均可增加 2 0 0倍左右 ;（4）初始能量较高时 ,离子加速及能量变化较快 ,离子最终获得的能量较大 .理论计算的磁尾离子能量在磁场偶极化过程终了可达 1 0 2 keV的量级 ,这与观测结果一致 .     

2008年1月5日磁层亚暴期间磁尾近地重联事件的THEMIS观测与分析

本文主要应用THEMIS卫星的磁场和等离子体流观测数据,分析了2008年1月5日08∶51~08∶57 UT亚暴膨胀相期间磁尾的一个近地重联事件.在亚暴膨胀相期间,地面的全天空成像仪清楚地记录到了极光的极向扩展,THEMIS的P5卫星在地球同步轨道附近观测到了磁场的偶极化现象.在亚暴膨胀相末期的08∶51~08∶57 UT期间,P3(X_GSM~-9.12R_E) 和P4 (X_GSM ~-9.40R_E) 同时观测到了一对方向相反的高速等离子体流.这对方向相反的高速等离子体流是由磁尾的重联现象所引起.重联的位置被估计位于X_GSM ~-9.12R_E 和X_GSM~-9.40R_E之间较小的空间范围内.并且,在重联位置的两侧,重联的Hall效应被P3和P4两颗卫星观测到.因此,这一磁尾重联事件发生在距离地球非常近的空间范围内.     

激波在磁盔－电流片位场中的传播：（Ⅰ）激波与磁盔间的相互作用

利用新近获得的子午面磁盔－电流片背景太阳风稳态解，对激波从盔底沿电流片方向往外传播时与磁盔间的相互作用进行了数值模拟研究，重要新结果是：１．磁盔的存在使受扰介质速度跃变中央出现下凹，随着激波传出磁盔区并沿电流片方向传播，速度下凹逐渐减弱以致消失；２．激波将磁盔拉长并把盔顶的环形（垂直赤道面）磁场带到行星际空间，成为行星际磁场南向分量的来源之一；３．５个太阳半径（Ｒ⊙）内的磁盔部分将出现精细结构，沿盔外边界形成两条高速带，以及马蹄形密度（亮）环形结构等．这些结果表明，太阳附近高速等离子体与磁盔间存在重要的动力学相互作用过程，对行星际空间的太阳风三维结构有重要影响．