磁重联与等离子体波动

磁场重联与等离子体波动之间存在显著的联系.其中准静态波动、激波和动力学阿尔芬波的本征模是磁重联结构的重要组成部分.而其它的高频波动,不仅能吸收粒子的自由能,还可以导致粒子的加热和反常电阻的产生.这些多尺度的波动过程揭示了磁重联中能量转换的多尺度性质.本文探讨了地球磁层磁重联过程中的各种等离子体波动,涵盖了动力学阿尔芬波、低混杂波、哨声波、静电孤波、离子声波以及电子尺度的高频静电波,并分析了它们在磁重联中的特性和作用.近期的研究成果表明,动力学阿尔芬波（kinetic Alfven wave, KAW）能够描述磁重联区域的微观结构,其中包括霍尔磁场、霍尔电场、平行电场、霍尔电流以及场向电流.在这一过程中,霍尔电场作用于离子,有助于提高重联速率.低混杂波主要在电流片的密度梯度较大处被激发,并对电子进行平行加热.而哨声波是由朗道共振和回旋共振机制驱动的.据当前研究所示,低混杂波和哨声波对于重联过程中的反常电阻效应的影响是次要的.静电孤波多在磁重联分界线区域出现,其对等离子体的加热效应仍需进一步研究.与此同时,关于高频静电波（例如高混杂波和电子伯恩斯坦波）的研究重点在于磁重联的扩散区,这些波被...     

NOAA系列卫星高能粒子数据一致性统计分析

顶部电离层是低轨道卫星的运行空间,是能量粒子沉降的重要区域,认识这个空间的能量粒子分布特征对研究各种空间天气事件、地震、火山以及其他人类活动引起的扰动具有重要的现实意义.本文利用位于顶部电离层的5颗NOAA系列卫星数据,统计研究了100~300keV的电子和80~2500keV的质子的全球分布特征.研究发现:高能电子和质子主要分布在两极辐射带和南大西洋异常区,两极辐射带观测到的高能电子通量比南大西洋异常区高几倍到一个数量级,而质子则相反;高能电子在两极辐射带地区通量分布具有不对称性,主要表现为在北辐射带西经75°到东经90°存在低值区,相对应的是粒子主要聚集在其磁共轭区,且其边界和南大西洋异常区相交;高能质子两极辐射带对称分布,在南半球东经0°至东经50°存在高值区.利用概率密度统计分析发现,各颗卫星在南大西洋异常区和两极辐射带的高能电子和高能质子通量总体上均呈正态分布.在南大西洋异常区,NOAA-15观测到的高能电子通量比其他卫星的低,NOAA-16观测的高能电子通量比其他卫星的高,各卫星的高能质子观测结果基本相同.在两极辐射带,各卫星观测的高能电子通量结果基本相同,NOAA-18和NOAA-19观测的质子通量最高,NOAA-16和NOAA-17次之,NOAA-15最低,其中NOAA-19比NOAA-15观测到的质子通量要高一个数量级左右.在磁暴期间顶部电离层高能电子的变化表明地磁指数Dst和空间粒子通量变化具有时间同步性.本文的研究成果将为我国下一代电磁卫星设计提供基础依据.     

基于Van Allen Probes EMFISIS波动仪器观测的内磁层上频带哨声合声波全球分布的统计分析

基于Van Allen Probes近三年的EMFISIS仪器波动观测数据,针对内磁层上频带哨声模合声波幅度的全球分布特性对地磁活动水平的依赖性进行了详细的统计分析,着重研究上频带合声波平均场强幅度随磁壳值(L)、磁地方时(MLT)、地磁纬度(MLAT)的分布特征及不同强度区间的合声波的发生概率.结果表明,上频带合声波的平均场强幅度与地磁活动条件密切相关,在强磁扰期,平均幅度可达到40 pT以上.在外辐射带中心区域(L=4~6),上频带合声波的幅度最强;在L~3的区域,上频带磁层合声波没有分布.在夜侧至晨侧(22—09MLT),上频带合声波幅度最强;在下午侧至昏侧(15-19MLT),上频带合声波幅度最弱;日侧(10-14MLT)上频带合声波在不同地磁活动条件下都存在,幅度偏小.上频带合声波主要分布在|MLAT|10°,其中21-09MLT范围内、磁纬位于|MLAT丨5°的平均场强幅度最强,磁扰期间可达约100 pT.另外,统计而言,中等幅度(10~30 pT)的上频带合声波在夜侧至晨侧(23-09MLT)靠近磁赤道区域的发生率最高,可达15%左右.强幅度(30 pT)的上频带合声波普遍分布在夜侧(01-05MLT),发生率最小.本文建立的上频带哨声模合声波的全球分布模型结合已经建立的下频带合声波的全球分布模型,将有助于进一步深入理解该重要磁层等离子体波动对地球等离子体片、辐射带、环电流动力学过程的定量贡献.     

电离层上行O+离子沿不同经度处的磁力线向磁层的传输

根据解析求解引导中心近似的动力学方程得到的离子分布函数 ,研究了不同Kp指数条件下起源于不同电离层区域的上行O⁺离子通量密度沿不同经度处的磁力线的定态分布 ,并研究了上行O⁺离子向不同磁层区域传输的特性 .主要结果为 :（ 1 ）起源于向阳面极光带外侧及更低纬区的电离层离子基本上传输到向阳面磁层区 ;起源于背阳面极光带及更低纬区的电离层离子基本上传输到背阳面磁尾等离子体片区和闭合磁力线区 ;起源于极盖区及向阳面极光带内侧的电离层离子基本上传输到等离子体幔区和磁瓣区 .（ 2 ）上行离子主要分布在近地空间 ,其通量密度相对于地心距离呈负梯度 .（ 3）地磁活动指数Kp 增高时上行离子进入磁层的概率增大 ,因而上行离子起动力学作用的地球空间范围增大 .所得结果可解释有关地顶的观测特征 ,理论估算的上行离子在磁尾的通量密度与观测结果相符合.     

基于NOAA/POES卫星观测的磁层相对论电子起源的初探

本文利用低高度极轨卫星NOAA/POES的观测数据，并结合ACE卫星和Polar卫星的观测结果，研究分析了磁层相对论电子的起源. NOAA/POES卫星对于不同地磁活动时期相对论电子的分布和起源进行了较为详细观测, 分析结果表明（1） 亚暴期间注入磁层的能量电子可以为与磁暴相关的磁层高能电子暴提供种子电子；（2）太阳质子事件期间太阳风中的能量电子也可以为磁层中的相对论电子提供所需要的源.     

基于Van Allen Probes EMFISIS波动仪器观测的内磁层下频带哨声合声波全球分布的统计分析

基于Van Allen Probes近三年的EMFISIS仪器波动观测数据,对内磁层下频带哨声模合声波幅度的全球分布特性对地磁活动水平的依赖性进行了详细的统计分析,着重研究下频带合声波平均场强幅度随磁壳值L、磁地方时、地磁纬度的分布特征及不同强度区间的合声波的发生概率.结果表明,下频带合声波的波动强度与地磁活动密切正相关,处于强磁扰期间的合声波具有更大的振幅,其发生率与地磁活动强度具有同样的正相关特性.下频带合声波主要发生于午夜至下午的磁地方时区间,其余的磁地方时时段下频带合声波较弱.赤道面附近的下频带合声波主要分布在夜侧至黎明这一时段内,随着磁纬度的增加逐步向日侧扩展.下频带合声波在午夜侧(21-03 MLT)主要出现在15°的磁纬范围内,在晨侧(03-09 MLT)可以到达15°磁纬甚至更高纬度.下频带合声波主要发生于L=~4.5的附近区域.随着地磁活动的增加,下频带合声波所覆盖的L-shell空间区域增大,趋势为向高、低L值区域同时扩展.建立的下频带哨声合声波的全球分布模型将有助于进一步深入理解该重要磁层波动对辐射带电子的波粒作用散射效应和对辐射带动力学过程的定量贡献.     

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.     

基于VAP卫星的等离子体层顶电子密度波动统计分析

基于范艾伦辐射带探测卫星的观测数据(2012年9月至2015年11月),收集了584个等离子体层顶密度波动事件,研究了这些事件分布随磁地方时、磁壳值以及地磁活动的变化关系,并使用快速傅里叶变换分析了全部事件平均功率谱.统计结果表明,等离子体层顶密度波动事件主要发生在磁地方时黄昏扇区,其分布与磁地方时和地磁活动具有明显的相关性.等离子体层顶密度波动在1～100mHz区间内具有接近-5/3的功率谱斜率,表明存在二维磁流体动力学湍流.本文统计结果将有助于进一步深入理解等离子体层顶密度波动在内磁层中能量传输的具体作用,并且将促进对等离子体层顶波动的激发、增强与传播过程的进一步研究.     

FY2D卫星与GOES卫星空间粒子观测结果的对比分析

风云二号D星(FY2D)搭载的空间粒子探测器可以观测10～300 MeV的质子和≥350 keV与≥2 MeV的电子.卫星在轨测试阶段,空间粒子探测器观测到了空间环境宁静期间地球同步轨道的电子昼夜周期变化的典型特征,并在卫星发射后的12月15日首次观测到了有代表性的 2级太阳质子事件(SEP),观测到的较高能量质子比较低能量质子更快地恢复到平静时的状态.通过比较FY2D卫星与GOES卫星的探测结果,既显示了同步轨道区域不同位置高能电子通量扰动时间的一致性,也显示了高能电子通量具强烈的晨昏不对称性.通过对太阳质子事件和地磁平静时期该轨道空间高能粒子环境特征的分析和研究,并与GOES卫星同期的观测结果进行相关性分析,结果表明仪器确实具备了监测空间环境扰动和预警能力,探测结果可以用于研究地球同步轨道粒子空间分布、起源和传输等科学目的.     

利用GS流场重构方法研究磁尾等离子体片涡流

2000年9月30日Geotail卫星分别于17∶54∶36~18∶09∶00UT和18∶59∶00~19∶30∶00UT在磁尾晨侧等离子体片内(n≈0.4 cm^-3,T≈6 keV)观测到等离子体涡流事件.本文采用Grad-Shafranov (GS)流场重构技术再现了这些涡流的二维速度场、离子数密度和离子温度的分布图像.结果显示:从地心太阳磁层坐标系(GSM)赤道面上面看, 涡流的尺度约为5000 km×1400 km , 朝地球的运动速度约为15~25 km/s.所有5个涡流的旋转方向都为顺时针方向,旋转周期约为6~11 min.相邻涡流的相互作用导致它们之间的磁场强度增强.考察观测数据发现,涡流内不仅包含等离子体片热等离子体成分,也包含较大通量的类似源自磁鞘的冷等离子体成分(T<1 keV).这与观测到涡流等离子体的平均温度(T≈4 keV)较磁尾等离子体片等离子体的典型温度(T≈6 keV)明显偏低的事实是一致的.不仅如此,离子数密度和温度在结构内的分布也不均匀,数密度在涡流内部偏离中心的位置比较低而在每个涡流的边缘位置比较高,温度的分布大体上与密度相反.分析认为观测到的磁尾等离子体涡流事件可能由发生在低纬边界层的Kelvin-Helmholtz不稳定性引起,涡流结构内的冷等离子体可能来自磁层顶外部的磁鞘.     

Proton interaction with quasi-electrostatic whistler mode waves in an inhomogeneous plasma (magnetosphere)

We study the interaction between energetic protons of the Earth’s radiation belts and quasi-electrostatic whistler mode waves. The nature of these waves is well known: whistler waves, which are excited in the magnetosphere due to cyclotron instability, enter the resonant regime of propagation and become quasielectrostatic, while their amplitude significantly increases. Far enough from the equator where proton gyrofrequency and transversal velocity increase the nonlinear interaction between these waves and energetic protons becomes possible. We show that plasma inhomogeneity may destroy cyclotron resonance between wave and proton on the time scale of the order of particle gyroperiod which in fact means the absence of cyclotron resonance; nevertheless, the interaction between waves and energetic particles remains nonlinear. In this case, particle dynamics in the phase space has the character of diffusion; however, the diffusion coefficients are determined by the averaged amplitude of the wave field, but not by its resonant harmonics. For real parameters of the waves and magnetospheric plasma, proton pitch-angle diffusion leading to their precipitation from the magnetosphere becomes essential.     

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10RJ以内,磁通量管赤道部分的速度可以达到350km·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.     

磁声重波在地球磁层中的传播

本文讨论了赤道附近地球磁层中磁声重波沿重力场方向的传播特征。结果表明,当波动频率小于截止频率ω_c时,磁声重波将在磁层中被反射。对于典型的磁层等离子体参数,ω_c的极大值约为0.3秒^-1。我们还讨论了磁声重波与地磁微脉动之间的关系,沿着重力场方向向下传播的磁声重波,可能直接引起赤道附近的P_c1磁脉动。     

Effect of loss-cone distribution on the generation of whistler waves in the magnetosphere

An anisotropic kappa velocity distribution with loss-cones is used to investigate whistler wave instability occurring in the magnetosphere. The elements of the dielectric tensor and dispersion relation using modified plasma dispersion function $\text{Z}{}_{\mathrm{\kappa }}{}^1\text{(ξ)}$ with loss-cone angle have been obtained for the linear waves propagating exactly parallel to a uniform local magnetic field in a homogeneous and hot plasma. The modified plasma dispersion function and integrals have been expressed in power-series form for argument of ξ≫1. Temporal/spatial growth rates for whistler wave in the magnetosphere have been evaluated by the method of numerical techniques. The results of such a kappa loss-cone distribution function on the generation of whistler waves are compared with those obtained by Maxwellian loss-cone distribution. Calculations show that either a loss-cone or a thermal anisotropy in the hot plasma component of the magnetosphere can lead to the generation of incoherent emission of low-frequency whistler waves. This methodology could be easily extended to the study of low frequency emissions from planetary magnetospheres under suitable choice of models of density and magnetic field and other plasma parameters.     

大尺度弯曲波和木星磁盘的波状结构

本文提出,术星磁盘的波状结构可能是由木星等离子体片中存在的大尺度弯曲波引起的。从磁流体力学方程组出发,建立了一个自洽的稳态木星磁盘模式,在这个模式中包括了径向等离子体流和方位角方向的磁场。利用扰动的磁流体力学方程组,得出了普遍的色散方程。在某些简化条件下解出了色散关系。结果表明,弯曲波是一种新型的耦合波,即Alfvèn波和旋转波（频率相当于木星的旋转角速度Ω_J）相耦合的新型波。这种波的特性与等离子体片的结构相关。根据这种波的特征函数,给出了木星磁盘波状结构的表达式,理论结果与根据探测数据得出的经验形式相符。     

Parametric effects in inhomogeneous plasma during injection of electron pulses into the ionosphere

The injection of electron pulses from the rocket into the ionospheric plasma in the lower hemisphere relative to the initial pitch angles of electrons during the substorm recovery phase provoked the generation of parametric processes (the ARAKS experiment). The electron flux observations, obtained using a wide-angle detector, and the whistler wave emission intensity measurements were compared. A wide-angle detector of electrons was mounted on the rocket, and a broadband wave receiver was installed on a nasal cone separated from the rocket. Bursts of the electron flux and wave emission were observed in pauses between electron pulses. It has been indicated that a clearly defined anisotropy of the observed parametric effects of the pitch angle of injected electron pulses is related to resonance characteristics of a wave emitted by electron fluxes in a magnetized plasma. Precipitation of ring current electrons was caused by a change in the magnetic moment of electrons, trapped by the magnetosphere, in the region of magnetic mirror points in the fields of electrostatic oscillations excited during decay of whistlers.     

Whistler–electron interactions in the magnetosphere: new results and novel approaches

Attention is focused here on the quasilinear and nonlinear physics of cyclotron interactions between magnetospheric whistler mode waves and energetic electrons on dipolar geomagnetic flux tubes. These interactions can lead to the generation of noise-like emissions or phase-coherent discrete signals in the frequency-time domain. In the magnetosphere noise-like emissions called hiss are accompanied by a smooth electron precipitation pattern. Examples of discrete emissions are ELF/VLF chorus or VLF emissions triggered by whistlers from lightning or by radio transmitters on the ground. The rapid temporal variations of these signals are associated with fine structure of the distribution function of the radiation belt electrons, such as a transient step-like deformation or a well-organized beam, which are prepared by initial noise-like emissions or by a quasimonochromatic whistler–wave packet, respectively. These cause the properties of the electrons, which may be observed on a satellite, to evolve rapidly in time and on relatively short spatial scales. Bursts of precipitating electrons occur, and can contribute significantly to depleting the radiation belts. Recent results on improvements in the theoretical understanding of such processes and on new observations of magnetospheric electrons and whistler-mode waves are presented.     

Superposed epoch analysis of a whistler instability criterion at geosynchronous orbit during geomagnetic storms

Enhanced whistler mode waves produced by anisotropic hot plasma-sheet electrons outside the storm-time plasmapause have been suggested as one mechanism for accelerating relativistic outer-belt electrons in the aftermath of geomagnetic storms. Using measurements from the Los Alamos Magnetospheric Plasma Analyzers in geosynchronous orbit, we perform a superposed-epoch study of the storm-time behavior of the inferred plasma-sheet whistler growth parameter. Separate analyses are done for storms that result in strong relativistic electron enhancements and those that do not. The inferred whistler instability is strongest in the midnight-to-dawn sector, where freshly injected plasma-sheet electrons drift into and through the inner magnetosphere. During the main phase of both sets of storms, there is a marked drop in the whistler growth parameter, especially in the prime midnight-to-dawn sector. In the early recovery phase, this parameter is elevated and then returns to more typical values over the next few days. The elevation of the whistler growth parameter persists longer for the electron-enhanced storms than for those that do not produce such enhancements. These results suggest that whistler wave generation is greater during storms yielding enhanced levels of relativistic electrons.