一次磁层亚暴期间磁场偶极化的尾向传播

利用TC1、Cluster和Polar结合极光和同步高度及地磁的观测，研究了2004年9月14日1730～1930 UT时间段的亚暴偶极化过程.此前行星际磁场持续南向几个小时.亚暴初发(Onset)开始于1823 UT.2 min之后，同步高度的LANL 02A在子夜附近观测到了明显的能量电子增强（Injection）事件，而TC1在1827UT左右在磁尾(-10,-2, 0)RE (GSE)观测到了磁场BX的突然下降，伴随着等离子体压强和温度的突然增加及磁场的强烈扰动.在(-16, 1, 3)RE (GSE) 的Cluster上相同的仪器观测到相同的现象，只是比TC1观测到的晚大约23 min，在1850 UT左右.虽然Polar在更靠近地球的较高纬度(-75, 35, -40)RE (GSE)附近，也在1855 UT左右观测到了这种磁场偶极化现象.以上的观测时序表明TC1、Cluster观测到的磁场偶极化比亚暴偶极化初始发生分别晚4 min和27 min.说明偶极化由近磁尾向中磁尾传播.详细计算表明偶极化源区的位置大约在X=-77RE～-86RE，而传播速度大约为70 km·s-1.在这个事件中亚暴的物理图像可能是中磁尾的近地重联产生的地向高速流到达近磁尾，为近磁尾的亚暴触发创造了条件；亚暴在近磁尾触发之后，磁场偶极化峰面向中磁尾传播.     

2005年8月24日磁暴主相期间亚暴过程的多卫星联合观测分析

本文根据OMNI、TC-2卫星、LANL系列卫星、Cluster星簇卫星(C1-C4)以及加拿大的8个中高纬地磁台站的观测数据,研究了2005年8月24日强磁暴(SYM-H_min~ -179 nT)主相期间的强亚暴(AL_min~ -4046 nT)事件特征.该强磁暴在大振幅(IMF B_{z min}~ -55.57 nT)、短持续时间(~90 min)的行星际磁场条件下产生,有明显的磁暴急始(SSC),强度较大且持续时间较短.发生在磁暴主相期间的亚暴发展的主要特征如下:亚暴增长相期间,C1-C4卫星先后穿越中心等离子体片;亚暴膨胀相触发后,在近地磁尾(X~-6R_E)可观测到磁场偶极化现象;等离子体无色散注入区在亚暴onset开始后迅速沿经向扩展,但被限制在有限的经度范围;磁纬60°附近,Pi2地磁脉动振幅超过了100 nT.膨胀相开始后,在中、高磁纬地磁台站可观测到负湾扰,近地磁尾可观测到Pi2空间脉动,中磁尾区域可观测到尾向流、磁重联以及O⁺/H⁺数密度比值在亚暴onset之后增大等现象.分析表明该强磁暴主相期间的强亚暴现象发生时序是自内向外:X~-6R_E处TC-2观测到磁场偶极化(~09:42:30 UT),同步轨道卫星LANL1994-084观测到等离子体无色散注入(~09:44:30 UT),X~-17.8R_E处C1观测到磁场重联(~09:45:30 UT),由此推断该亚暴事件很可能是近地磁尾不稳定性触发产生,其发生区域距离地球很近.     

通量堆积和偶极化过程中的超低频波动

2004年9月17日TC-1卫星在近地磁尾夜侧观测到一次伴随有通量堆积和偶极化过程的典型亚暴事件.本文利用离散小波分析和FFT分析方法对本次事件中4 s精度的FGM和HIA数据进行分析,以了解通量堆积过程和偶极化过程中的低频波特性.分析结果表明,通量堆积过程和偶极化过程中场和粒子有明显的不规则低频波动,主要波动频率范围为4~15 mHz,和Pi-2脉动一致.通量堆积过程中磁场各个分量的低频波动和偶极化过程中的低频波动有明显不同,表明这两个物理过程可能存在不同的波动机制.在通量堆积过程和偶极化过程中,平行磁场方向上温度和速度的波动和垂直方向上温度和速度的波动有明显区别,平行磁场方向上温度和速度的波动有较好的相关性,且热离子密度的波动和平行磁场方向上的波动有较好的相关性,表明存在快模压缩波.TC-1卫星的观测显示通量堆积过程中磁场By分量有明显增长.我们的分析结果表明ULF波与By分量的增长有密切关系,从而可能对亚暴膨胀相的触发有重要影响.     

中磁尾重联触发亚暴的单事例分析

磁层亚暴的发生与近磁尾（约6～8 R_E）电流片中断和中磁尾（约20～30 R_E）磁场重联密切相关,而极光的极向扩展、电流片中断和磁尾重联的时序过程对于认识亚暴的触发机制至关重要. 本文利用位于中磁尾的CLUSTER卫星,同步轨道附近LANL-01、LANL-97卫星,近磁尾POLAR和 极区IMAGE卫星的观测,分析了单个亚暴事例.结果表明,在此事件中,中磁尾磁场重联起始比近尾电流片中断早3 min发生,电流片中断发生4 min后,IMAGE卫星观测到极光增亮,同时AE指数突然增大,亚暴膨胀相起始. 观测结果与亚暴中性线模型较为吻合.     

磁尾地向传播等离子体团的模拟研究

卫星观测证实了磁尾等离子体团与亚暴活动的相关性,除了具有北-南双极特征的尾向传播等离子体团外,还发现地向传播等离子体团,它们表现为南-北双极中性片事件和南-北双极瓣区讯号. 资料分析表明:南-北双极讯号的出现几率远低于北-南双极讯号,并且南-北双极事件主要发生于行星际磁场北向和地磁宁静条件,它们往往与小的孤立的地磁亚暴相关. 本文根据地磁宁静时期(IMF Bz北向且By≥Bz)越尾电场Ey分量的分布特点,对地向传播等离子体团作模拟研究. 两类算例的数值结果展示了通量绳磁结构及具有复杂闭合磁力线位形的等离子体团的基本特征,上述特征与尾向传播的等离子体团类似,与IMP 8卫星关于地向传播南-北中性片事件的观测特征大致相符. 数值结果还展示了与Schindler示意图相类似的磁力线拓扑位形,在一定程度上为南-北事件出现几率低作出了解释;并且揭示了磁尾中性片内越尾磁场分量By对磁重联发展的抑制作用. 本文的模拟研究说明:无论磁尾处于活动时期(IMF Bz为南向),还是宁静时期(IMF Bz为北向且By≥Bz),磁场重联均是磁尾等离子体加速和加热的通用机制.     

亚暴期间高纬黄昏-子夜扇区极光弧增亮与衰减及其与IMF的关系

利用南极中山站极光全天空摄相、地磁、地磁脉动数据和Wind卫星的行星际磁场IMF观测数据，分析了7个亚暴期间高纬黄昏-子夜扇区极光弧的短暂增亮现象.极光弧特征是，短暂增亮随后很快衰减，历时10-20min，基本沿着日-地方向，有明显黄昏方向运动.这些事件大都发生在IMFB_z南转之后，亚暴增长相或膨胀相期间，极光浪涌到达之前10-73min消失.相应的IMFB_x＞0，IMFB_y＜0.这种极光弧和亚暴极光不同，它们与地磁活动及Pi2脉动不相关.这7个极光弧的形态和IMF特征表明，极光弧的增亮很可能由尾瓣重联产生，很快衰减归因于IMFB_z南向条件，而黄昏方向运动受IMFB_y控制.     

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.     

探测一号卫星在近地磁尾观测到的尾向流统计特性

在磁静和亚暴期间,TC 1卫星在近地磁尾，包括晨昏两侧和夜侧的尾瓣、等离子体片边界层和等离子体片区域都观测到大量来自电离层的尾向流事件.尾向流在赤道面附近最强，在夜侧较晨昏两侧强；尾向流有从晨昏两侧向夜侧运动的趋势；尾向流随距地球距离增加而逐渐增强.与来自中磁尾的地向流相比，近地磁尾近赤道区域来自电离层的尾向流具有低温高密特性.2004年7月1日至2004年10月31日期间TC 1卫星在近地磁尾（7RE～13RE之间，RE为地球半径）观测到持续时间超过3 min的尾向流共516起.对这516起尾向流的统计研究结果显示：（1）尾向流在从等离子体片边界层向等离子体片的运动过程中流速会逐渐减弱、密度逐渐增高，温度有逐渐下降的趋势；（2）对尾向流平行温度和垂直温度的分析显示不同等离子体区域的尾向流都有较明显的各向异性；（3）在从等离子体片边界层向等离子体片的运动过程中，尾向流逐渐趋向各向同性.     

磁暴期间环电流离子增长与磁尾离子注入的因果时序探测研究

TC-2卫星上的中性原子成像仪(NUADU)在2005年5月15日磁暴期间(并伴随有系列亚暴事件)记录了反映环电流离子连续变化的能量中性原子(ENA)图像探测数据.比较由中性原子图像反演的4 min时间分辨的环电流离子空间分布与地球同步轨道LANL系列卫星(环绕赤道面~6.6 RE)上同步轨道粒子分析仪(LANL-SOPA)原位离子通量探测数据,以及相同高度的同步系列卫星GOES的磁场数据,发现环电流区离子通量增长发生在磁力线尾向拉伸的亚暴增长相阶段,而不是发生在磁场偶极化之后.这一发现挑战了以往的环电流离子注入是磁场偶极化时由磁尾直接注入的概念,但仍需更多的观测实例进一步认证.     

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 .     

Ion dynamics associated with substorm dipolarization fronts

We report where and how ions are accelerated in the proximity of earthward propagating dipolarization fronts(DFs) in the magnetotail during a magnetospheric substorm on February 15, 2008. Two DFs were observed by multiple THEMIS spacecraft in the near-Earth magnetotail(~?10 Re). We studied the ion dynamics associated with these DFs by comparing observed results with large scale kinetic(LSK) simulation results. The LSK simulation reproduced the sudden ion energy flux enhancement concurrent with the arrival of the DF at the satellite locations. We found that ions can be accelerated to more than 100 keV energy at the DF. These ions were initially non-adiabatically accelerated near magnetic reconnection site and then still non-adiabatically accelerated at the DF structure.     

CRRES/Ground-based multi-instrument observations of an interval of substorm activity

Observations are presented of data taken during a 3-h interval in which five clear substorm onsets/intensifications took place. During this interval ground-based data from the EISCAT incoherent scatter radar, a digital CCD all sky camera, and an extensive array of magnetometers were recorded. In addition data from the CRRES and DMSP spacecraft, whose footprints passed over Scandinavia very close to most of the ground-based instrumentation, are available. The locations and movements of the substorm current system in latitude and longitude, determined from ground and spacecraft magnetic field data, have been correlated with the locations and propagation of increased particle precipitation in the E-region at EISCAT, increased particle fluxes measured by CRRES and DMSP, with auroral luminosity and with ionospheric convection velocities. The onsets and propagation of the injection of magnetospheric particle populations and auroral luminosity have been compared. CRRES was within or very close to the substorm expansion phase onset sector during the interval. The onset region was observed at low latitudes on the ground, and has been confirmed to map back to within L=7 in the magnetotail. The active region was then observed to propagate tailward and poleward. Delays between the magnetic signature of the substorm field aligned currents and field dipolarisation have been measured. The observations support a near-Earth plasma instability mechanism for substorm expansion phase onset.     

The causal sequence investigation of the ring current ion-flux increasing and the magnetotail ion injection during a major storm

Comprehensive records are available in ENA data of ring current activity recorded by the NUADU instrument aboard TC-2 on 15 May, 2005 during a major magnetic storm(which incorporated a series of substorms). Ion fluxes at 4-min temporal resolution derived from ENA data in the energy ranges 50–81 and 81–158 ke V are compared with in situ particle fluxes measured by the LANL-SOPA instruments aboard LANL-01, LANL-02, LANL-97, and LANL-84(a series of geostationary satellites that encircle the equatorial plane at ~6.6 R_E). Also, magnetic fields measured simultaneously by the magetometers aboard GOES-10 and GOES-12(which are also geostationary satellites) are compared with the particle data. It is demonstrated that ion fluxes in the ring current were enhanced during geomagnetic field tailward stretching in the growth phases of substorms rather than after Earthward directed dipolarization events. This observation, which challenges the existing concept that ring current particles are injected Earthward from the magnetotail following dipolarization events, requires further investigation using a large number of magnetic storm events.