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.     

地球弓激波及其与行星际激波相互作用

给定地球轨道附近的行星际条件和地球弓激波的几何位形,本文分析向阳侧弓激波强度参数沿激波阵面的分布,以及行星际激波与弓激波的相互作用.对于弓激波阵面相对日地连线轴对称的情形,得到如下结论：（1）弓激波强度参数分布相对由行星际磁场和日地连线构成的基准面对称,各激波强度参数的最大值出现在基准面上.磁压比在垂直激波线一侧较大,而气压比在平行激波点一侧较大,导致总压比相对日地连线大致呈轴对称分布.（2）随着行星际磁场与日地连线夹角的增大,弓激波强度参数的最大值有所减小,且位置朝远离日下点方向偏移;但气压比和总压比的分布基本上不受影响.（3）行星际激波透过弓激波之后,切向磁场比更接近于1,但总磁场跳变幅度增大.（4）透过弓激波之后,行星际准垂直激波的总磁场比更接近于1,准平行激波的总磁场比则反之.     

地球极区电离层对行星际激波的响应

本文就地球电离层对行星际激波的动力学响应进行三维全球数值模拟研究．背景行星际磁场为螺旋场，南北分量为零；初始电离层由Ⅰ区场向电流和相应的晨昏电场所主导；行星际激波沿日地连线方向撞击地球．模拟结果表明，在激波的作用下，电离层Ⅰ区电流系统向子夜方向运动，在向阳侧相继出现与原Ⅰ区电流反向的异常场向电流对和同向的新生Ⅰ区电流对．该异常场向电流对在极盖区形成瞬间昏晨电场，尾随原Ⅰ区电流向夜侧方向漂移直至湮没．与此同时，新生的Ⅰ区电流不断增强并向夜侧和赤道方向延伸，最终取代原Ⅰ区电流，相应极盖区又恢复到原来的晨昏电场状态．这一响应过程和行星际激波强度有关：激波强度越强，新生的Ⅰ区场向电流也越强，它向赤道方向延伸的距离也越大，能到达的纬度也越低．上述结果在趋势上与观测到的输运对流涡旋和亚极光块的运动特征一致．     

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.     

磁层亚暴扩展相的数值模拟

本文用多步隐格式方法,求解包含电阻的磁流体力学方程组,对磁层亚暴扩展相作数值模拟.计算结果展现了亚暴扩展相期间磁尾变化的主要特征.它表明,球向和尾向等离子体流与准稳态重联有关.等离子体团的尾向喷发,致使中性线尾侧电流片内的密度降低,等离子体片变薄.中性线近地侧的等离子体团朝着地球运动,并合并于地球附近的重联区内.     

行星际激波的传播及其相应的地磁效应

基于 2.5 维理想磁流体力学（Magnetohydrodynamic,MHD）方程组分析了行星际激波在日球层子午面内的传播过程及其相应的地磁效应.日球层电流片（Heliospheric Current Sheet,HCS）-日球层等离子体片（Heliospheric Plasma Sheet,HPS）对于行星际激波的传播具有一定的阻碍作用.当行星际激波相对于HCS 倾斜传播时,相对于扰动源位于HCS 异侧的激波强度较同侧的明显减弱.局地激波面的法线（或形状）对通过激波阵面的磁力线发生偏转的程度和方向起决定性作用.沿激波传播方向其为准平行激波,磁场偏转程度较小,而其两侧部分则为斜激波,磁场偏转程度较大.位于HCS-HPS 位置处的波前形成凹槽,磁力线偏转程度明显加强.行星际激波对磁场的偏转效应是其驱动地磁暴的重要机制,而且地磁效应的强度与地球相对于HCS 的角距离Δθ_p有明显关系.数值模拟结果表明：任何行星际激波,Δθ_p=0°处均无法形成较大强度的地磁效应;沿HCS 传播的行星际激波,地磁效应最强的区域位于HCS 两侧;相对于HCS 倾斜传播的行星际激波,地磁效应最强的区域位于HCS 异侧.     

太阳风在地球激波前兆区减速的统计研究

本文首次利用完全相同两颗卫星（CLUSTER C1和C3）的数据对地球激波前兆区太阳风的减速和偏转特性进行了统计研究.结果表明,在激波前兆坐标系中,太阳风减小的速度随观测点到激波的距离D_BS增大而减小,随行星际磁场与激波法向夹角θ_BN增大也减小,在ULF波动区深度D_WS小于6R_e(R_e为地球半径)的范围内最为显著;伴随着太阳风减速的另外一个现象——太阳风的偏转,也存在相似的规律.其最大减速和最大偏转角度分别为10 km/s和3°.太阳风减速和偏转,以及随之变化的太阳风动压,可能会引起地球磁层顶位置和形状发生改变,同时也为激波前兆区弥散（diffuse）离子的起源及加热提供了一种可能的机制.     

地球弓激波的旋转非对称性

通过对太阳风-磁层-电离层系统的全球MHD模拟,研究地球弓激波相对日地连线的旋转非对称性．模拟限于太阳风速度沿日地连线、地球磁偶极矩和行星际磁场（IMF）与日地连线垂直的简单情况．模拟结果表明,即便对于IMF强度为零的情况,弓激波相对日地连线也不具备旋转对称性质：终端面（晨昏子午面）及其向阳侧的弓激波截线的东西宽度大于南北宽度（约9%~11％）,终端面尾侧的弓激波截线东西宽度小于南北宽度（约8％）．在存在IMF的情况下,弓激波的位形同时受到磁层顶的形状和快磁声波速度各向异性的影响．磁层顶向外扩张并沿IMF方向拉伸,且其扩张和拉伸程度随IMF由北转南而增强．在磁鞘中,垂直于磁场方向的快磁声波速度高于平行方向．因此,磁层顶拉伸方向与快磁声波速度最大方向垂直,它们对弓激波位置的效应恰好相反;弓激波的最终形状取决于何种效应占据主导地位．对于终端面尾侧,快磁声波速度的各向异性起主导作用,弓激波截线沿IMF垂直方向的宽度大于平行方向．对于终端面及其向阳侧,弓激波截线的形状与IMF取向有关：在准北向或晨昏向IMF情况下,弓激波截线沿IMF垂直方向的宽度仍大于平行方向;在准南向IMF情况下,弓激波截线沿IMF垂直方向的宽度小于平行方向的．鉴于弓激波形状同IMF取向之间的密切关系,我们提议以IMF为基准方向,提取弓激波截线的平行半宽度R_b∥和垂直半宽度R_b⊥作为尺度参数．这些尺度参数和通常引入的弓激波截线的东西半宽度y_b和南北半宽度z_b相比,更为合理地表征了弓激波的几何性质．模拟结果表明,在终端面上,y_b/z_b和R_b∥/R_b⊥在IMF各向同性取向下的统计平均值均低于1,与观测得到的结论一致.     

基于卫星观测的上游等离子体β与磁层顶厚度、速度等特征参数关系的统计研究

基于Cluster(C3)卫星的观测数据,本文统计分析了 2001年至2009年的低纬(GSE坐标系下纬度小于45°)侧翼晨(磁地方时MLT＜08)、昏(MLT＞16)两侧磁层顶的特征.分别用法拉第残差最小化分析法(MFR分析)和DeHoffmann-Teller分析法(HT分析)计算了磁层顶厚度、运动速度以及平均电流密度等参数.收集了近磁层顶磁鞘侧的β值(等离子体热压磁压之比),并应用瓦伦测试划分了磁层顶的旋转不连续和切向不连续.结果表示,磁层顶的晨昏两侧存在明显的不对称,即晨侧磁层顶厚度更厚、运动也更加活跃.上游β值由近日侧到磁尾整体上表现出下降趋势,但在昏侧部分区域出现异常升高,通过分析β值对磁层顶厚度和运动速度的影响发现,更高的上游β值对应的磁层顶厚度更薄,运动速度更高,但是上游β的晨昏不对称并不是造成磁层顶厚度和运动速度晨昏不对称的主要原因,本文认为,磁层顶参数的晨昏不对称可能并不是由单一的上游参数造成的.最后,高β对研究区域内的磁层顶瓦伦关系有破坏作用.     

近地磁尾方位角流能量转换过程

高速流是磁尾等离子体片中质量、能量和磁通量最重要的输运形式.高速流在地向运动到近地磁尾后流速会降低,主导方向也经常转为晨昏方向.在等离子体流速及其主导分量、密度和温度等宏观参数变化的过程中,可能伴随有不同类型的能量转换.为此,我们分析近地磁尾方位角流事件期间的能量转换过程.基于整体流速的主导分量为晨昏向,及事件期间的平均温度比其前后增强的选取原则,从2008—2020年期间THEMIS中的三颗卫星(THA,THD,THE)运行在磁尾时的观测数据中,共筛选出821个平均温度比其前/后(事件之前或事件之后10 min)升高的方位角流事件.2011年5月16日的方位角流事例研究发现：能量超过1 keV尤其是超过10 keV的高能离子通量增加,可导致低速低温等离子体的密度、温度和流速增加;磁场减小及磁场功率谱密度的分析表明等离子体和磁能的转换发生在频率为0.01～0.334 Hz的低频波动,仅1%能量耗散.统计给出方位角流事件的平均温度约为3.7 keV,比其前后增加的幅度大部分集中在100～1000 eV.事件期间的平均数密度可能升高或者降低,二者概率大致相当.约96%的平均温度和密度同时大...     

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.     

场向电流极性和密度异常事件统计研究

本文利用Swarm卫星2015—2016年高精度的磁场矢量数据,将晨昏地方时扇区高纬场向电流(Field-Aligned Currents,FACs)事件按极性和电流密度分为四类,并首次比较研究了四类FACs事件的时空分布特征及其影响因素,研究发现:极性正常事件(晨侧靠极侧电流元向下流入电离层,靠赤道侧电流元向上流出电离层,昏侧电流极性相反,即传统意义上的R1和R2FACs)发生率约为70%,其中R1FACs强于R2事件的发生率为R1FACs弱于R2的3~5倍;极性异常事件(与传统的R1和R2FACs流向相反,两片电流元定义为R1*和R2*FACs)发生率约占30%,其中R1*R2*的1.5~2.5倍.进一步分析发现极性正常事件主要发生在南向IMF Bz期间,与重联电场相关性较好,净电流密度随着重联电场和电离层电导率的增加而增加.其中R1R2*事件通常发生在IMF By<0期间,昏侧事件主要发生在IMF By>0期间,而R1*相似文献   

A plasma bulk motion in the midnight magnetosphere during auroral breakup inferred from all-sky image and magnetic field observations at geosynchronous altitudes

Auroral events that occurred on January 24, 1986 in central Canada were recorded by an all-sky TV imager. During these events, auroral breakup was confined to a region between two foot points of neighboring geosynchronous satellites, GOES5 and GOES6. We examined field line signatures at satellite locations in unique station distributions and concluded that field line observation indicated plasma motion in the equatorial plane. The plasma motion showed an earthward compression combined with bifurcation (duskward or dawnward displacement in dusk/dawn sectors). In addition, we were able to infer an elliptical circulation of plasmas in the equatorial plane at Pi2 periods. Appearance in opposite rotation beside the auroral region indicated excitation of surface waves. We were able to show that auroral breakups occurred at a meridian of bifurcation. We suggest that a high plasma pressure region occurring tailward of geosynchronous altitudes may drive those plasma motions.     

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.     

Cusp geometry in MHD simulations

The MHD simulations described here show that the latitude of the high-altitude cusp decreases as the IMF swings from North to South, that there is a pronounced dawn–dusk asymmetry at high-altitude associated with a dawn–dusk component of the IMF, and that at the same time there is also a pronounced dawn–dusk asymmetry at low-altitude. The simulations generate a feature that represents what has been called the cleft. It appears as a tail (when the IMF has a B_y component) attached to the cusp, extending either toward the dawn flank or the dusk flank depending on the dawn–dusk orientation of the IMF. This one-sided cleft connects the cusp to the magnetospheric sash. We compare cusp geometry predicted by MHD simulations against published observations based on Hawkeye and DMSP data. Regarding the high-altitude predictions, the comparisons are not definitive, mainly because the observations are incomplete or mutually inconsistent. Regarding the low-altitude prediction of a strong dawn–dusk asymmetry, the observations are unambiguous and are in good qualitative agreement with the prediction.     

Analysis on magnetic storms reported by Beijing observatory

A complete statistical study is made for all magnetic storms reported by Beijing observatory during 1979 to 2000. It includes occurrence dependence on type of the storm, intensity of the storm, and time (year, season, and month). A comparison between the occurrence and the number of sunspots is also carried out. Further statistical analysis for part of the great magnetic storms shows that there are obvious differences between activity level represented by Beijing observatory and that by Dst. Such differences depend upon local time of Beijing (BLT). Cubic polynomial fitting results show that the activity level is lower at dawn and higher at dusk in Beijing than that represented by Dst, and the difference between dusk and dawn is about 63% of Dst.     

近磁尾TC-1观测到伴随有高速流的ULF波及不稳定性分析

2004年8月3日近地TC-1卫星在磁尾X_GSM~－12R_E的等离子体片内,观测到了伴随着高速流的低于离子回旋频率的波,即超低频波(ULF,Ultra Low Frequency).该波垂直分量的振幅在高速流及其振荡减速期间大致相当;而平行分量振幅在高速流时明显大于其振荡减速时. 利用一个扰动双流模型对完全磁化离子横场漂移驱动的电磁不稳定性计算后,预测结果表明:(1)对于垂直分量来说,横场漂移速度与Alfvén速度的比值影响不稳定性增长率和激发波频率,随其比值增加,增长率变大,激发波频率从负值增加到正值.(2)对于平行分量来说,温度各向异性时等离子体热速度与Alfvén速度比值只影响不稳定性增长率和激发波频率,未改变不稳定性模类别;而温度各向同性时离子横场漂移速度与Alfvén速度比值既影响不稳定性模的种类及其分支,又影响激发波频率.进一步将卫星观测到的等离子体密度、温度、整体流速和磁场代入模型方程,进行数值计算与上述预测结果对比后发现:卫星观测中垂直分量的功率谱密度(PSD,Power Spectrum Density)增强时间和频段与理论模型中由β_//、β_⊥和v_⊥/V_A引起不稳定性激发的波一致;卫星观测中平行分量的功率谱密度增强时间与理论模型基本相符,但是前者的频率明显地低于后者.因此,除了需考虑平行磁场的离子整体流速对不稳定性激发波频率的可能影响,还需要统计上进一步核实伴随有高速流的ULF波与不稳定性的相关性.     

Characteristics of ≥ 290 keV magnetosheath ions

We performed a statistical analysis of 290–500 keV ion data obtained by IMP-8 during the years 1982–1988 within the earth’s magnetosheath and analysed in detail some time periods withdistinct ion bursts. These studies reveal the following characteristics for magnetosheath 290–500 keV energetic ions: (a) the occurrence frequency and the flux of ions increase with increasing geomagnetic activity as indicated by the Kp index; the occurrence frequency was found to be as high as P ≥ 42% for Kp ≥ 2, (b) the occurrence frequency in the dusk magnetosheath was found to be slightly dependent on the local time and ranged between ≈30% and ≈46% for all Kp values; the highest occurrence frequency was detected near the dusk magnetopause (21 LT), (c) the high energy ion bursts display a dawn-dusk asymmetry in their maximum fluxes, with higher fluxes appearing in the dusk magnetosheath, and (d) the observations in the dusk magnetosheath suggest that there exist intensity gradients of energetic ions from the bow shock toward the magnetopause. The statistical results are consistent with the concept that leakage of magnetospheric ions from the dusk magnetopause is a semi-permanent physical process often providing the magnetosheath with high energy (290–500 keV) ions.