对流输运在TOI断裂形成等离子体云块中的作用研究

极盖等离子体云块是极区电离层常见特征之一,其形成演化过程是当前重要研究课题.光电离高密度等离子体在对流输送作用下从日侧穿过极隙,通过极盖到达夜侧,已成为共识.日侧磁场重联作用下的极区对流输运过程,在舌状等离子体结构（TOI）"断裂"形成极盖等离子体云块中发挥重要作用.利用极区全域GPS/TEC观测数据,结合SuperDARN雷达实测的对流速度,对等离子体云块形成过程进行案例研究,重点分析两种TOI断裂形成等离子体云块的发生机制.研究结果显示,等离子体对流输运过程在TOI断裂形成等离子体云块过程中发挥关键性作用,对流形态或局部对流速度矢量急剧变化都可能导致TOI结构不稳定,使TOI结构断裂形成等离子体云块.     

极盖区等离子体云块近十年研究进展

极盖区等离子体云块是一种经常出现在极区电离层F层的高密度块状结构,其电子密度一般是背景电子密度的两倍及以上,水平尺度约为100～1 000 km.极盖区等离子体云块的产生及演化过程可以示踪磁层-电离层/热层耦合过程中的能量及动量传输过程.同时,这种电子密度不均匀体（尤其是其边沿区域）对跨极盖区的无线电波传播具有很强的干扰,经常影响无线电通讯导航定位等应用.因而,极盖区等离子体云块研究不仅是空间物理领域的热点问题,而且也是空间天气监测及准确预报等应用的重要基础.本文简述了近十年来极盖区等离子体云块的研究进展,主要内容包括：概括了极盖区等离子体云块几种可能的形成机制;提出了极盖区冷/热等离子体云块的分类研究;统计了极盖区等离子体云块的时空分布特征及其对外部条件的依赖性;追踪了极盖区等离子体云块的完整演化过程;最后,讨论了极盖区等离子体云块引起的离子上行现象及电离层闪烁效应.     

对流输运在TOI断裂形成等离子体云块中的作用研究

极盖等离子体云块是极区电离层常见特征之一,其形成演化过程是当前重要研究课题.光电离高密度等离子体在对流输送作用下从日侧穿过极隙,通过极盖到达夜侧,已成为共识.日侧磁场重联作用下的极区对流输运过程,在舌状等离子体结构（TOI）"断裂"形成极盖等离子体云块中发挥重要作用.利用极区全域GPS/TEC观测数据,结合SuperDARN雷达实测的对流速度,对等离子体云块形成过程进行案例研究,重点分析两种TOI断裂形成等离子体云块的发生机制.研究结果显示,等离子体对流输运过程在TOI断裂形成等离子体云块过程中发挥关键性作用,对流形态或局部对流速度矢量急剧变化都可能导致TOI结构不稳定,使TOI结构断裂形成等离子体云块.     

引力场中磁场重联的数值研究（Ⅲ）等离子体团的形成和运动

应用解析和数值相结合的方法求得了含有闭场区、中性片和开场区的二维局域磁静力平衡日冕基态,进而在此基态下数值研究了由电阻撕裂模不稳定性引起的磁场重联过程．结果表明,在电流片长度远大于其半宽度的情况下,仍将发生具有两个Ｘ线的磁场重联,形成磁岛和高温高密度的等离子体团．等离子体团运动的方向取决于闭合区底部等离子体压力和磁压的比值β０．当β０较大时,等离子体团向下运动,引起结合不稳定性和磁岛的合并,等离子体团中的等离子体不断落入闭合磁场区两侧．当β０较小时,等离子体团向上运动,导致电流片中等离子体的喷发．结果还表明,磁张力的分布是决定等离子体团运动方向的主要因子．     

引力场中磁场重联的数值研究（Ⅲ）等离子体团的形成和运动

应用解析和数值相结合的方法求得了含有闭场区、中性片和开场区的二维局域磁静力平衡日冕基态，进而在此基态下数值研究了由电阻撕裂模不稳定性引起的磁场重联过程．结果表明，在电流片长度远大于其半宽度的情况下，仍将发生具有两个Ｘ线的磁场重联，形成磁岛和高温高密度的等离子体团．等离子体团运动的方向取决于闭合区底部等离子体压力和磁压的比值β０．当β０较大时，等离子体团向下运动，引起结合不稳定性和磁岛的合并，等离子体团中的等离子体不断落入闭合磁场区两侧．当β０较小时，等离子体团向上运动，导致电流片中等离子体的喷发．结果还表明，磁张力的分布是决定等离子体团运动方向的主要因子．     

引力场中磁场重联的数值研究（Ⅲ）等离子体团的形成和运动

应用解析和数值相结合的方法求得了含有闭场区、中性片和开场区的二维局域磁静力平衡日冕基态，进而在此基态下数值研究了由电阻撕裂模不稳定性引起的磁场重联过程．结果表明，在电流片长度远大于其半宽度的情况下，仍将发生具有两个Ｘ线的磁场重联，形成磁岛和高温高密度的等离子体团．等离子体团运动的方向取决于闭合区底部等离子体压力和磁压的比值β_０．当β_０较大时，等离子体团向下运动，引起结合不稳定性和磁岛的合并，等离子体团中的等离子体不断落入闭合磁场区两侧．当β_０较小时，等离子体团向上运动，导致电流片中等离子体的喷发．结果还表明，磁张力的分布是决定等离子体团运动方向的主要因子．     

驱动重联过程中等离子体团的聚合

本文对驱动重联过程作了二维可压缩磁流体动力学模拟．对于长的计算域（１：４）,在持续入流的作用下形成了双重磁岛结构,这些磁岛在向外运动的过程中不断靠近,逐渐聚合成为一个大的等离子体团,并继续向外运动．这说明在地球磁层顶和磁尾所观测到的大尺度磁结构,很可能是在驱动重联过程中,由较小的等离子体团聚合后形成的．并初步揭示了在空间等离子体中,磁岛的聚合过程难以直接观测的动力学原因．     

驱动重联过程中等离子体团的聚合

本文对驱动重联过程作了二维可压缩磁流体动力学模拟．对于长的计算域（１：４），在持续入流的作用下形成了双重磁岛结构，这些磁岛在向外运动的过程中不断靠近，逐渐聚合成为一个大的等离子体团，并继续向外运动．这说明在地球磁层顶和磁尾所观测到的大尺度磁结构，很可能是在驱动重联过程中，由较小的等离子体团聚合后形成的．并初步揭示了在空间等离子体中，磁岛的聚合过程难以直接观测的动力学原因．     

磁场重联中的电子加速机制的数值模拟研究

在应用2.5维混合模拟方法研究Petschek模型磁场重联的基础上,考察了试验电子被加速的特征. 模拟结果表明,稳态的低频重联场能将少量试验电子加速到高能,电子的能谱为幂律谱,但总体分布函数未发生显著变化. 电子在整个加速过程中被束缚在低磁场的加速区内,由重联产生的感应电场Ey分量对其直接加速,根据加速时间和加速区域可以将这些电子分为两种情况：初始位于加速区和漂移到加速区被加速.     

磁场重联中电子加速问题的物理分析和数值研究

观测表明耀斑中电子加速发生在软X射线耀斑环上方的磁重联区域.在重联电流片中被super-Dreicer电场直接加速似乎是产生能量在10keV～10MeV之间高能电子的最直接的方式.本文的结果证明纵向电磁场可以有效地将电子“锁”在重联电流片上,使得横向电场得以直接加速电子.对于解释产生相对论性粒子的脉冲式耀斑,这可能是一个有效的机制.     

Hall effect on magnetic reconnection at the Earth's magnetopause

We analyze in situ observations of magnetic reconnection at the Earth magnetopause to estimate the importance of the Hall current during the merging of interplanetary and magnetospheric magnetic field lines. The reconnection process is studied through numerical simulations, integrating the Hall MHD equations in 2.5 dimensions. A large influence of the Hall effect is found, which can be measured by a significant increase of the reconnection rate.     

ESW在磁尾磁场重联耗散区分形线附近的观测特性及其作用

磁场重联是空间能量释放和转换的重要机制.静电孤立波(ESW)虽然在空间中有广泛观测,但在磁场重联附近少有直接观测,对它在磁场重联附近的特性了解甚少.通过Geotail卫星对一个磁场重联事件的观测,仔细分析了其边界层上观测到的静电孤立波的特性,并讨论了它对磁场重联的影响.研究表明,亚暴期间在磁尾发生磁场重联,重联区域的分形线附近观测到了大量的静电孤立波,其特性与在其他地方观测到的并没有显著差别,但具有更明显的非线性和孤立性的特征.它们对电子加速和能量耗散有促进作用,加速磁场重联的进程.     

密度非对称的二维无碰撞磁场重联

使用二维粒子模拟（PIC）的方法研究了在电流片两侧具有不同温度或密度情况下的无碰撞磁场重联过程.在初始等离子体密度非对称的情况下,发现重联区等离子体流场结构、电磁场结构以及重联过程与对称情况下的结果有明显不同.通过对电流片两侧温度比取不同的参数Tm/Ts=1,2,5进行模拟(其中Tm和Ts分别代表磁层侧和磁鞘侧的温度),结果分析发现,(1)在密度非对称系统中,出流区电子沿着分离面出现一个整体的从高密度区向低密度区的流动,并围绕磁岛形成一个电流环;(2)在高温低密度一侧,在重联过程中,分离面两侧将出现很强的电荷分离并产生一个基本垂直于分离面的强度较大的电场Ez,其幅度和空间尺度与温度梯度近似地成线性正比和反比关系.在初始电流片两侧温度之比取Tm/Ts=5的情况下,Ez的幅度将达到0.71,其空间尺度与局地电子惯性长度de同一量级,这一结果与观测相吻合;(3)重联率随着温度梯度增大而下降.     

模拟IMF北向且By分量占主导时磁层顶重联

本文基于自己开发的全球三维磁层模型, 模拟研究了IMF(Interplanetary Magnetic Field)北向并且B_y分量较大(时钟角为60°)时磁层顶三维结构及其重联图像. 结果发现, IMF B_y为正时, 在北极隙区附近尾-昏侧存在IMF与地磁场之间稳定持续的重联现象;参与重联的地球磁场既有闭合磁力线也有开放磁力线;IMF在北极隙区与地球闭合磁力重联后一端与南磁极相连的磁力线在尾向运动时还可能与北尾瓣的开放磁力线重联而重新闭合, 这种重联与磁力线循环过程不同于同一条IMF磁力线分别在南北半球与地磁场重联的模型. 南极隙区的重联发生在尾-晨侧, 其动力学过程与北极隙区情形类似. 我们的模拟结果表明, IMF B_y较大时不可能发生IMF同一条磁力线分别在南北极隙区重联的情形, 也不会因此而减少尾瓣的开放磁力线.     

木星磁尾重联产生的磁通量管向内运动的数值模拟

本文通过利用包含离心力的自洽、轴对称稳态木星磁层模型,以及等离子体细丝运动理论对磁尾重联产生的磁通量管向内输运进行研究.基于细丝运动理论模型,通过MHD数值模拟我们可以得到磁通量管随时间变化的许多特性.模拟结果表明,重联产生的磁通量管向内运动可到达10R_J以内,磁通量管赤道部分的速度可以达到350 km·s^-1左右,表现出很强的向行星方向的流动.初始磁通量管中的等离子体密度和压强均小于周围介质,随着它迅速向木星方向运动,它的等离子体密度由于体积压缩逐渐上升,等离子体压强则逐渐上升到与周围介质相当.磁通量管在电离层上足点向赤道方向的运动滞后于它在赤道面上向行星方向的运动.