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.     

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.     

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．     

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．     

亚暴事件中磁尾多重等离子体团的数值研究（Ⅰ）

GEOTAIL卫星于1994年1月15日亚暴期间,在深磁尾（x＝96RE）观测到多重等离子体团及与之相对应的高能离子爆,作者以宁静磁尾平衡位形为初态,考虑介质的可压缩性,数值研究亚暴期间磁尾动力学过程．计算结果展现了等离子体团间歇性形成及其运动发展过程．体现了强亚暴事件中储存于碰尾的能量,通过多重等离子体团的排放而逐渐释放的进程．数值结果还表明：持续施加于边界上的晨昏电场及由此引发的驱动重联是导致等离子体团准周期形成的主要因素．此外,作者还考察尾瓣内任一点磁场强度及其分量随时间的演化,它与行进压缩区（TCRs）的观测特征基本相符．     

亚暴事件中磁尾多重等离子体团的数值研究（Ⅰ）

GEOTAIL卫星于1994年1月15日亚暴期间,在深磁尾（x＝96R_E）观测到多重等离子体团及与之相对应的高能离子爆,作者以宁静磁尾平衡位形为初态,考虑介质的可压缩性,数值研究亚暴期间磁尾动力学过程．计算结果展现了等离子体团间歇性形成及其运动发展过程．体现了强亚暴事件中储存于碰尾的能量,通过多重等离子体团的排放而逐渐释放的进程．数值结果还表明：持续施加于边界上的晨昏电场及由此引发的驱动重联是导致等离子体团准周期形成的主要因素．此外,作者还考察尾瓣内任一点磁场强度及其分量随时间的演化,它与行进压缩区（TCRs）的观测特征基本相符．     

磁层顶的涡旋诱发重联和单X线重联

用二维MHD数值模拟研究了地球磁层顶的涡旋重联和单X线重联,并将两者作了比较。涡旋重联和单X线重联各在Alfvèn马赫数M_Λ大于和小于0.5时出现于向阳面磁层顶。前者所产生的磁岛与涡旋同心重叠;后者磁力线重联仅产生X点,而不闭合形成磁岛,涡旋分布于X点两侧。在涡旋重联的自组织过程中,互螺旋度等近似守恒决定其渐近态的拓扑结构。最后,讨论了这两种重联对通量传输事件所起的不同作用。     

涡旋诱发磁重联模型的解析研究

在磁流体中涡旋诱发重联的线性过程的解析研究过程中,主要运用了渐近匹配展开方法．结果表明,如果流体粘性远大于磁粘性,流场马赫数Ma～1,重联的线性增长率正比于Vv为无量纲化流体粘性,这与数值模拟结果一致．此结论表明,流体粘性能够促进磁场重联,在理论上支持涡旋诱发重联模式．本文还研究了周期分布多电流片系统中涡旋诱发重联的线性增长率;随电流片之间距离的减小,反对称和对称情形的增长率分别增大和减小．     

涡旋诱发磁重联模型的解析研究

在磁流体中涡旋诱发重联的线性过程的解析研究过程中,主要运用了渐近匹配展开方法．结果表明,如果流体粘性远大于磁粘性,流场马赫数Ma～1,重联的线性增长率正比于Vv为无量纲化流体粘性,这与数值模拟结果一致．此结论表明,流体粘性能够促进磁场重联,在理论上支持涡旋诱发重联模式．本文还研究了周期分布多电流片系统中涡旋诱发重联的线性增长率;随电流片之间距离的减小,反对称和对称情形的增长率分别增大和减小．     

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.     

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．     

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．     

Magnetotail dipolarization fronts and particle acceleration: A review

In this paper, the particle acceleration processes around magnetotail dipolarization fronts(DFs) were reviewed. We summarize the spacecraft observations(including Cluster, THEMIS, MMS) and numerical simulations(including MHD, testparticle, hybrid, LSK, PIC) of these processes. Specifically, we(1) introduce the properties of DFs at MHD scale, ion scale, and electron scale,(2) review the properties of suprathermal electrons with particular focus on the pitch-angle distributions,(3)define the particle-acceleration process and distinguish it from the particle-heating process,(4) identify the particle-acceleration process from spacecraft measurements of energy fluxes, and(5) quantify the acceleration efficiency and compare it with other processes in the magnetosphere(e.g., magnetic reconnection and radiation-belt acceleration processes). We focus on both the acceleration of electrons and ions(including light ions and heavy ions). Regarding electron acceleration, we introduce Fermi,betatron, and non-adiabatic acceleration mechanisms;regarding ion acceleration, we present Fermi, betatron, reflection, resonance, and non-adiabatic acceleration mechanisms. We also discuss the unsolved problems and open questions relevant to this topic, and suggest directions for future studies.     

磁通量浮现驱动磁场重联的数值研究

应用二维时变可压缩磁流体动力学数值模拟,研究了双极－单极磁场中由于磁通量浮现驱动的磁场重联过程．结果表明,双极场与单极场间磁力线的重联形成上升的冷而密的等离子体团,磁场演变成鞭状结构．向上运动的等离子体团到达其最大高度后将回落和弥散.等离子体团最大上升速度达０．１４ＶＡ,等离子体最大上升速度达０．２７ＶＡ,ＶＡ为下边界处的Ａｌｆｖｅｎ速度．随着磁通量浮现幅度的增大,等离子体上升速度增加,重联过程发展得较快．背景等离子体β１值（β１为等离子体压力与磁压之比）越小,等离子体团中密度增量越大．磁Ｌｕｎｄｑｕｉｓｔ数Ｓ在１０３－１０６之间的改变对等离子体的速度和密度增量影响并不明显．与电阻撕裂模不稳定性引起的自发重联相比,磁通量浮现会更有效地驱动双极－单极场中的磁场重联过程,寻致日冕Ｈα冲浪和Ｘ射线喷流的形成．