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.     

亚暴膨胀相近磁尾位形不稳定性模型Ⅰ．近磁尾位形不稳定性

用单流体和双流体ＭＨＤ近似，研究了近磁尾位形不稳定性（ＮＥＴＣ）．分析表明，ＮＥＴＣ可能存在两种漂移不稳定情况Ｃ１和Ｃ２与卫星观测资料对比显示，Ｃ２较容易在亚暴膨胀相前夕出现，它可以解释亚暴膨胀相期间磁场和等离子体扰动的特征周期、尾向传播速度、磁场扰动和等离子体压强扰动之间的位相关系，场向电流的周期性结构，西向涌浪头部的电子沉降和极光隆起等观测特性和现象．薄电流片的极端情况（Ｒｃ≈ｒｉ）不在本文的讨论范围之内．     

亚暴膨胀相近磁尾位形不稳定性模型Ⅰ．近磁尾位形不稳定性

用单流体和双流体ＭＨＤ近似，研究了近磁尾位形不稳定性（ＮＥＴＣ）．分析表明，ＮＥＴＣ可能存在两种漂移不稳定情况Ｃ１和Ｃ２与卫星观测资料对比显示，Ｃ２较容易在亚暴膨胀相前夕出现，它可以解释亚暴膨胀相期间磁场和等离子体扰动的特征周期、尾向传播速度、磁场扰动和等离子体压强扰动之间的位相关系，场向电流的周期性结构，西向涌浪头部的电子沉降和极光隆起等观测特性和现象．薄电流片的极端情况（Ｒｃ≈ｒｉ）不在本文的讨论范围之内．     

Cluster探测到磁尾等离子体注入的特征

利用Cluster卫星2001～2004年磁尾运行期间RAPID仪器的数据,确定了115例磁尾等离子体注入事件,借助时序叠加法统计研究磁尾等离子体注入现象的特征.注入事件主要分布于磁地方时夜晚20时至凌晨04时.与同步轨道区观测到的粒子注入事件类似,可以将磁尾粒子注入事件分成五类：（1）只有离子注入;（2）离子先于电子注入;（3）离子和电子同时注入;（4）电子先于离子注入;（5）只有电子注入.磁尾粒子注入时,质子（能量范围0～40 keV）的温度和数密度同时显著增加,沿地球径向的传播速度也明显增大.统计分析磁尾注入期间同时观测到的晨昏对流电场,发现电场可分为两类：（A）注入后电场突然增大,电场强度为正;（B）注入后电场突然增大,电场强度为负.利用磁层磁场（T89c）和电场（Volland-Stern）模型模拟粒子注入后赤道面的电漂移速度矢量,模拟结果与统计结果基本一致,表明晨昏对流电场引起的电漂移是驱动磁尾（-18R_EE）等离子体沿地球径向注入的机制之一.     

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.     

K-H不稳定性在多电流片系统磁场重联中的效应

等离子体系统中存在两个或多个电流片时，电流片中发生的不稳定性可能会相互作用．行星际磁场北向时，背阳面碰层顶电流片与磁尾等离子体片之间可能发生相互作用，高纬边界层强烈的流场剪切可能促进磁场重联，产生磁层亚暴．本文运用二维可压缩磁流体模拟研究具有强流场剪切的多个电流片系统中磁场重联的演化．结果表明，Kelvin－Helmholtz不稳定性使多电流片系统的磁场重联过程明显加快；相邻电流片之间的距离越近，两者相互作用越强，重联增长率越大；在三电流片系统中，超Alfven速度强流场导致外侧两个电流片中出现强烈的磁场重联，并引发中心电流片的磁场重联．行星际磁场北向时，也可能发生磁层亚暴．     

2001年3月2日磁通量传输事件特性的研究

2001年3月2日11:00 至11:15 UT 期间,Cluster Ⅱ在南半球极尖区晨侧附近磁鞘内探测到3个通量传输事件（简称FTEs）. 本文利用Cluster Ⅱ星簇4颗卫星观测到的磁场和等离子体资料研究了这些通量传输事件的磁场形态和粒子特征. 并利用它们探测到的空间磁场梯度资料由安培定律直接求出星簇所在区域的电流分布. 结果指出：（1）BY占优势的行星际磁场结构在磁层顶的重联可以在极尖区附近发生;（2）FTEs通量管形成初期内外总压差和磁箍缩应力不一定平衡,达到平衡有一发展过程;（3）FTEs通量管截面在L M平面内的线度约为1.89RE;（4）FTEs通量管中等离子体主要沿轴向场方向流动,整个通量管以慢于背景等离子体的速度沿磁层顶向南向尾运动;（5）FTEs通量管中不仅有轴向电流,也存在环向电流. 轴向电流基本沿轴向磁场方向流动. 轴向和环向电流在管内均呈体分布,因而轴向电流产生的环向磁场接近管心时不断减小到零,而环向电流生成的轴向场则不断增大到极值;（6）在通量管的磁鞘部分观测到磁层能量粒子流量的增强,这表明通量管通过磁层顶将磁鞘和磁层内部连通起来了.     

中近磁尾等离子体片统计特性研究

本文使用Cluster-C1卫星的CIS仪器和FGM仪器测量得到的质子通量数据和计算的β数据,判断Cluster卫星在地球磁尾不同位置位于等离子体片内的概率.使用2001—2004年7—11月的Cluster-C1数据,分别在行星际磁场南向和北向时,得出X-10RE区域内卫星位于等离子体片的概率在Y-Dz平面的分布图(Dz是卫星到中性片的距离).通过对比行星际磁场南向和北向时的卫星位于等离子体片的概率的分布图,我们发现等离子体片在行星际磁场南向时比在行星际磁场北向时要薄,并且这个效应在磁尾晨昏两侧比在午夜附近明显,同时我们还发现等离子体片在晨侧比在昏侧厚.     

宁静期间双峰电流片的观测研究

2001年8月19日2011～2030UT,AE指数相对较小(40～130 nT),Cluster 卫星穿越磁尾电流片.利用Cluster 观测资料分析,发现宁静期间有双峰电流片存在,这期间没有明显的高速流,没有明显的电流片振荡. 同时,进一步分析双峰电流片中的离子特性发现:质子数密度Np在中性线（<Bx> = 0）附近相对较大,呈非对称性分布;质子温度分布比较均匀;在中性线两侧,质子y方向上的流速Vy方向相反. 最后讨论LHDI（低混杂漂移不稳定性）的非线性演化可能是形成宁静期间双峰电流片的主要机制. 这些对进一步完善电流片形成机制可能有很重要的意义.     

等离子体片中能量离子的空间分布--Cluster/RAPID观测数据分析

本文根据Cluster卫星上的粒子成像质谱仪（RAPID）探测器在穿越地球等离子体片过程中的观测数据,统计研究了等离子体片中能量离子能量密度的空间分布（氢离子能量范围从40keV到1500keV,氦离子和氧离子从10keV到1500keV）,并且给出了离子能量密度在不同地磁活动时期随GSE Z向分布的剖面.研究表明能量离子的能量密度以及能量密度的梯度与地磁活动指数Kp之间存在近似线性的关系.观测结果表明形成这种分布变化的主要原因是在地磁活动期间在电流片附近离子能量密度的增加,特别是其中的重离子成分增加更为显著.本文通过一个简化的电流片模型的数值计算,定性地研究了形成能量离子空间分布的机理.计算表明重离子在电流片中可以获得更多的能量,电流片加速可能是形成能量密度分布变化的一种可能的机制.     

晨昏起伏电场对中性片离子的随机加热

本文从哈密顿原理出发,讨论磁尾中性片中粒子受晨昏起伏电场的影响问题,并把它归结于讨论标准映射的性质.中性片本身是非线性系统,外加起伏场会导致其进入混沌状态.本文计算了进入该状态的临界电场E_c以及不同E下的粒子轨迹.计算表明,观测到的晨昏电场可以使离子进入混沌状态,但远小于电子的临界场值.这样离子运动是随机的,电子运动是规则的.仅对离子的随机加热可能是导致中性片中离子温度高于电子温度的原因.     

Ionospheric Signatures Of Bursty Bulk Flows

While the plasma convection in the Earth's magnetosphere was for a long timeconsidered to consist mostly of laminar flows with wide spatial extents, about adecade ago the phenomenon of bursty bulk flows (BBFs), which now could beunderstood as long, but narrow channels of fast earthward plasma flow in thecentral plasma sheet of the magnetospheric tail, was discovered. Soon after thisit became clear that such events are not exceptional, but a large portion of theearthward plasma flow in the inner part of the magnetospheric tail is organisedin this bursty, intermittent mode. Since the Earth's magnetosphere is connectedby highly conducting magnetic field lines with its ionosphere, the next logicalstep was the search for the ionospheric signatures of BBFs. We review the resultsobtained so far in this young field of Space Physics, in terms of theauroral and ground magnetic signatures caused by BBFs, the particle precipitationto the ionosphere, as well as of the ionospheric electrodynamics of the processesassociated with the BBFs in the magnetosphere. Finally, we briefly review somemodels of ionosphere-magnetosphere coupling with respect to their ability to explainthe ionospheric signatures observed.     

Stagnant low-energy ions in the near cusp region observed by Cluster

Measuring the low-energy ions in the Earth's magnetotail lobes is difficult, because a spacecraft becomes positively charged in a sunlit and tenuous plasma environment. Recent studies have introduced a new method, making use of the positive electric potential on the Cluster spacecraft, to measure the low-energy ions(less than a few tens of electronvolts) in the polar caps/magnetotail lobes in the years 2001–2010. With the measured velocities, we are able to study the trajectories of these low-energy ions. Particle tracing has been used in previous studies, confirming that ions of ionospheric origin are the dominant contributor to the ion population in the Earth's magnetotail lobes. In this work, we continue to study the source of low-energy ions measured in the lobes. We found that not all of the low-energy ions in the lobes come directly from the ionosphere. Particle tracing infers that some of the low-energy ions start to move tailward from the cusp/near-cusp region with a zero parallel velocity. In the following, we refer to these low-energy ions as stagnant low-energy ions. On the other hand, the in situ measurements by Cluster show a population of low-energy ions in the cusp/near-cusp region with pitch angles near 90°(i.e., no significant parallel velocity).The locations of stagnant low-energy ions are determined by particle tracing and in situ measurements. Similar ion energies and spatial distributions determined by these two methods confirm the presence of the stagnant low-energy ion population.     

Magnetotail particle distributions associated with pitch angle isotropization

We present modeled ion distributions in the near-Earth magnetotail expected to be associated with high latitude pitch angle isotropization. The model consists of a magnetic field reversal and a plasma source such that particles have a ratio of the minimum field line curvature radius to maximum gyroradius near unity, a nonadiabatic regime. For precipitating particles observed at the edge of the field reversal, we find structuring in the ion distribution consisting of peaks and valleys in the pitch angle distribution, particularly for intermediate values of field line curvature, which is consistent with the near-Earth tail region. The structures are non-Maxwellian and not gyrotropic. They are resolvable by instruments such as the GEOTAIL spacecraft CPI detector and can be used as a remote sensing method for fields in this regime between adiabatic motion and current sheet motion.     

磁宁静期磁尾爆发性整体流持续时间多点卫星研究

本文利用星簇CLUSTER的三颗卫星数据分析了磁宁静期磁尾爆发性整体流（BBFs, Bursty Bulk Flows）的时间尺度, 并与单个卫星的结果做了比较. 事例研究表明, 利用三颗卫星观测数据判断的BBFs的时间尺度比单个卫星的大一倍左右. 对于三颗卫星观测到的同一个BBFs, BBFs在晨昏方向上的摆动决定了CLUSTER的三个卫星观测到BBFs的先后次序. 三颗卫星的观测也显示了BBFs的高度局域化特征. 磁宁静期磁尾BBFs寿命的增大, 使得BBFs携带的质量和能量的地向输运增加. 这种地向输运增加的结果是: 磁尾储存的能量得到较为平稳的释放, 改变了亚暴起始产生的时间, 为解决磁层压力平衡矛盾（PBI, Pressure Balance Inconsistency）问题提供了新的思路.     

Dynamics of the ring current–magnetotail currents relationships during geomagnetic storms of different intensity

The results of studying the intensity of fluxes of 30–80 keV ions from the data of measurements of the NOAA (POES) sun-synchronous satellites during geomagnetic storms of different intensity are presented. For 15 geomagnetic storms with |Dst|_max from ~37 to ~422 nT, the storm-time maximum ion fluxes in the near-equatorial region (trapped particles) and at high latitudes (precipitating particles) have been considered. It is shown that the maximum fluxes of trapped particles, which are considered a ring-current proxy, increase with the storm power. In this case, if a smooth growth of fluxes is recorded for storms with |Dst|_max < 250 nT in the near-equatorial region, a significantly steeper growth of fluxes of trapped particles is observed when storm power increases during storms with |Dst|_max > 250 nT. This may be evidence of both an increasing of the contribution of the ring current relative to magnetotail currents to the development of high-intensity storms and to a nonlinear link between the ring current and ion fluxes at low altitudes in the near-equatorial region. Despite large variations in fluxes of precipitating particles in the polar region above the boundary of isotropization, a decreasing tendency, as a whole, in fluxes of these particles is observed with increasing the storm intensity. This is the evidence of the effect of saturation of magnetotail currents and of an increase in the relative role of the ring current during strong magnetic storms.