水星磁层观测研究

水星磁层无辐射带、电离层、等离子层,大气层明显消失,只有微弱的外逸层.?由于磁层尺度小,行星内核感应效应较为明显.?行星空间环境显著区别于地球.?"信使"号卫星对水星磁层的观测研究丰富了对水星空间环境的认识和理解.本文主要从磁层尺度及变化性、磁场重联及磁通量绳的形成、典型磁层动力学活动过程、磁层行星重离子时空变化、极端...     

阿尔文涨落与地球磁层亚暴

本文讨论了一种地球磁层的亚暴机制。当行星际磁场有大的南向分量时,磁层的位形可由基本闭式转变为开式。磁鞘中的阿尔文波可以携带超过10~(18)尔格/秒的能流传入磁层尾部,并将能量耗散于等离子体片中。等离子体片中的粒子被加热和加速后,注入近地空间,产生环电流和极区亚暴。计算了剪切流场中阿尔文波的传播过程,以及磁层中阿尔文波的耗散。将本文的结算与[4]中的结果合在一起,可以说明当行星际磁场转向南时,容易发生地球磁层亚暴,但这两者并非一一对应的关系,行星际磁场没有南向分量时也可以发生地球磁层亚暴。     

地球等离子体层研究进展

地球等离子体层作为内磁层的重要组成部分,在空间天气过程的发生和发展过程中都起着非常重要的作用.地球等离子体层是由上行电离层粒子被地球磁力线捕获而形成的圆环状冷的等离子体区域.等离子体层的外边界称为等离子体层顶,在该区域的等离子体层密度在0.5个地球半径内下降了1～2个数量级.地球等离子体层结构的动态变化特征是空间环境扰动状态的指示器,其结构形态和动力学过程受地磁场和电场控制,而地磁场短期变化源于太阳活动引起的日地扰动.地磁暴期间等离子体层的大规模结构演化影响等离子体层中波的产生和传播,从而影响波-粒子相互作用,导致内磁层中电子和离子的空间分布发生变化,进而影响其它磁层和电离层过程.对地球等离子体层进行进一步研究,对揭示太阳风-磁层-电离层耦合过程中的质量输运和能量转移、空间天气预报等方面都具有重要的意义.本文对等离子体层和地磁活动的关系、等离子体层中的波、顶部电离层及等离子体层电子含量的变化规律和等离子体层模型等方面的研究进展进行了介绍.最后,我们还对等离子体层研究方面一些亟待解决的问题进行了展望.     

磁层顶压缩事件的磁场分析

向日面磁层顶在平静太阳风条件下,处于10RE（RE为地球半径）左右．但在异常的太阳风条件下,即南向行星际磁场很强和（或）太阳风的动压很大时,会被压缩,甚至到达同步轨道附近．集中分析2001年4月11日的磁暴事件,研究当磁层顶发生强烈压缩以后。在地球空间和地面上产生的磁场影响．磁层顶位形选取Shue（1998）模型计算．当把计算结果与GOESl0卫星的观测数据对比时发现：磁层顶在强的太阳风条件下的确会被压缩到同步轨道以内．Shue（1998）模型的预测基本正确,通常的漏报可能是由于预报的位置误差所致．实际磁层顶电流片的位置和强度与我们假设的理想磁层顶间断面计算结果基本吻合．在分析大磁暴过程时,磁层顶压缩使磁层顶电流对于中低纬度地磁场扰动有突出的贡献,在2001年4月事件中,这个贡献可以大于50nT,占主相的1／6左右．这一贡献可以使Dst指数产生相应的误差．     

地球磁层的磁场模型

1958年卫星探测发现了磁层,至今已有半个世纪,对磁层电场、电流体系、磁场、粒子分布和等离子体波的探测研究构成了空间物理的重要内容,其结果是各种磁层模型的出现.本文简要综述磁层磁场建模的基本原理、方法和发展历史,对十几种重要的磁层模型的特点、局限性和适用范围进行了对比分析,以Tyganenko模型为例,讨论了磁层模型发展的趋势.     

地球磁层对磁云边界层的大尺度响应分析——个例研究

主要分析了WIND飞船2004年11月9日探测的磁云边界层引起的大尺度地球磁层活动.磁层响应主要包括以下3个方面:(1)磁云边界层内本身持续较强南向磁场驱动了一个强磁暴的主相.(2)由于磁云边界层内部较强南向磁场持续一段时间后发生向北偏转触发了一个典型磁层亚暴.文中详细分析了亚暴膨胀相发生时夜侧磁层各区域的观测现象,包括极光观测、高纬地磁湾扰、地球同步轨道无色散粒子注入现象、Pi2脉动突然增强以及等离子体片偶极化现象等.(3)磁云边界层和前面鞘区组成一个动压增强区,此动压增强区强烈压缩磁层,致使磁层顶进入地球同步轨道以内;当磁云边界层扫过磁层时,位于向阳侧地球同步轨道上的两颗GOES卫星大部分时间位于磁层磁鞘中,以致很长时间内直接暴露在太阳风中.利用Shue(1998)模型计算得到当磁云边界层扫过磁层时磁层顶日下点的位置被压缩至距地心最近距离为5.1RE,磁云边界层的强动压结构以及强间断面决定了磁云边界层对磁层的强压缩效应.强动压结构、多个强间断结构以及持续较长时间的强南向磁场是许多磁云边界层的共性,这里以此磁云边界层事件为例分析了磁云边界层的地球磁层响应.     

地球等离子体层及EUV遥感测量技术

地球等离子体层位于地球电离层以上,延伸至4~6地球半径范围的环状等离子体区域,它在空间分布上与地球辐射带、环电流区域重合,是地球内磁层研究的重要内容。本文综述了地球等离子体层遥测技术的原理、发展,并总结和分析了EUV-CT的现有成果。      

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.     

基于JUNO卫星WAVES仪器波动数据的木星磁层哨声波分析研究

等离子体波的空间分布在木星磁层高能电子动力学过程中起着重要的作用.现有大多数对木星磁层哨声波的观测仅限于|λ|≤15°的磁纬范围内,但是最新的JUNO卫星WAVES仪器提供的波动数据使得更高纬度、更广区域范围内的等离子体波动分布研究成为可能.本文通过对JUNO卫星WAVES仪器数据进行分析处理,详细研究了木星磁层哨声波的空间分布特性.观测表明,存在位于高LJ、高磁纬的木星磁层哨声波,它们广泛分布于距木星中心距离35～75个木星半径、磁纬为|λ|≤30°的空间区域.分析研究发现,WAVES仪器观测的木星磁层哨声波幅度一般为几个pT,远小于地球磁层哨声波的强度.木星磁层哨声波幅会随着LJ的增大缓慢增加,也会随着磁纬的减小趋向平缓变化.基于以上观测事实,本文利用指数幂函数分别拟合得到木星磁层哨声波幅随LJ和磁纬变化的经验模型.该模型将有助于精确理解哨声波对木星磁层高能电子动力学过程的重要影响.     

1998年5月磁暴磁层电流体系的地磁效应分析

低纬度地区地磁场的短时变化主要由以下电流体系产生:电离层发电机电流(IDC)、对称环电流(SRC)以及由部分环电流和Ⅱ区场向电流及其电离层回路组成的内磁层三维电流体系(PRFI).此外,由Ⅰ区场向电流及其电离层回路组成的电流体系(FACI)所产生的低纬地磁场也是不可忽略的.本文针对1998年5月1-6日的大磁暴,首先利用多个同子午线台站对的数据分离并消去由IDC电流产生的Sq场.然后,通过线性建模分离其他电流体系产生的磁场成分.结果表明:(1)发生在5月1-6日的磁暴可以分为两个过程,PRFI和FACI电流体系在1-3日不明显,在4-5日伴随着亚暴强烈发生.(2)SRC的变化情况在第一阶段同Dst指数相似,在第二阶段明显滞后于Dst指数.(3)在5月4-5日,PRFI在SRC之前增强,随着PRFI和FACI的恢复,SRC开始增强.这一结果为我们了解环电流和场向电流的形成以及它们的关系提供线索.     

水星磁层亚暴和磁暴

磁层亚暴和磁暴是太阳风—行星磁层耦合过程中发生的能量存储和爆发式释放现象,伴随着复杂的等离子体动力学,对磁层以及整个行星都具有强烈的影响.它们的发生不仅会通过粒子沉降引发绚丽多彩的极光,还可以通过电磁场影响人类以及其他生物的生产生活.对地球上的亚暴和磁暴现象的描述与研究至今已有近百年的历史,然而对其他行星上的亚暴以及磁...     

地球磁层软X射线信号的辐射特性研究

太阳风-磁层耦合和地球空间的动力学过程是空间天气的基本驱动要素,在系统尺度上认知这些过程对于空间物理和空间天气的研究至关重要.太阳风电荷交换(solar wind charge exchange, SWCX)机制的提出,为磁层大尺度特性研究提供了一种全新的探测方式,即地球磁层的软X射线成像. SWCX发生在太阳风中的高价态重离子(例如C⁶⁺、N⁷⁺、O⁷⁺、O⁸⁺等)和中性原子或分子(例如地球空间中的中性氢原子,日球层中的中性氢原子和氦原子,彗星和其它行星上的水分子、CO₂等)发生碰撞时.太阳风离子得到一个或多个电子后进入激发态,随后在回到基态的过程中释放出一个或多个软X射线波段的光子.地球磁层的SWCX软X射线辐射主要发生在日侧的磁鞘和极尖区,因此利用软X射线大范围成像技术可以对磁层进行远距离全景成像,从而在大尺度上认知太阳风-磁层相互作用的基本模式.在此背景下,中欧联合空间科学卫星计划太阳风-磁层相互作用全景成像卫星(Solar wind Magnetosphere Ion...     

中低纬度电离层对太阳风状态的响应

本文讨论了行星际磁场B₂分量变化时内磁层和中低纬度电离层的响应.指出B₂变化引起的磁层大尺度对流电场的变化在一定条件下有可能透入内磁层,并沿磁力线映射到中低纬度电离层,在那里产生电场和电流体系,从而使S_q电流体系发生畸变,并在地面磁场中反映出来.数值计算表明,当△B₂<0时,S_q电流体系的焦点向东和向高纬移动,地面磁场会观测到数伽马的变化.这就为中低纬地磁观测诊断磁层和太阳风状态提供了一种可能性.此外,本文还用上述物理过程解释了赤道地区一些高空物理现象,如B₂倒转时电离层漂移速度的变化,赤道磁场异常以及赤道q型偶现E层的消失等等.     

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.     

地球磁层对磁云边界层的大尺度响应分析——个例研究

主要分析了WIND飞船2004年11月9日探测的磁云边界层引起的大尺度地球磁层活动．磁层响应主要包括以下3个方面：（1）磁云边界层内本身持续较强南向磁场驱动了一个强磁暴的主相．（2）由于磁云边界层内部较强南向磁场持续一段时间后发生向北偏转触发了一个典型磁层亚暴．文中详细分析了亚暴膨胀相发生时夜侧磁层各区域的观测现象,包括极光观测、高纬地磁湾扰、地球同步轨道无色散粒子注入现荆、Pi2脉动突然增强以及等离子体片偶极化现象等．（3）磁云边界层和前面鞘区组成一个动压增强区,此动压增强区强烈压缩磁层,致使磁层顶进入地球同步轨道以内;当磁云边界层扫过磁层时,位于向阳侧地球同步轨道上的两颗GOES卫星大部分时间位于磁层磁鞘中,以致很长时间内直接暴露在太阳风中．利用Shue（1998）模型计算得到当磁云边界层扫过磁层时磁层顶日下点的位置被压缩至距地心最近距离为5．1RE,磁云边界层的强动压结构以及强间断面决定了磁云边界层对磁层的强压缩效应．强动压结构、多个强间断结构以及持续较长时间的强南向磁场是许多磁云边界层的共性,这里以此磁云边界层事件为例分析了磁云边界层的地球磁层响应．     

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.     

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T_m/T_s=1,2,5进行模拟(其中T_m和T_s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E_z,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T_m/T_s=5的情况下,E_z的幅度将达到0.71,其空间尺度与局地电子惯性长度d_e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.     

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.     

内磁层电流体系的地磁效应

对Ⅱ区场向电流及其伴随的部分环电流和电离层电流组成的内磁层三维电流体系（PRFI电流系）的磁场效应进行了数值计算.这一三维电流体系在中低纬度地面产生的磁场呈现出特殊的纬度分布:X分量几乎不随纬度变化,Y分量随纬度增高近似呈线性变化.这些特征明显不同于对称环电流的磁场分布特征（X∝ cosφ,φ是纬度,Y=0）,也不同于DP2、S_q、L等电流体系的磁场分布特征.利用这一特征我们可以从地磁台子午链观测到的磁场扰动中分离出PRFI电流系的贡献.用1989年3月磁暴的实例检验了上述模型,观测结果与理论结果符合得很好.分析结果还表明,最大的D_st指数并不一定对应着最强的对称环电流.     

磁层亚暴期间高纬地区三维电流体系

确定亚暴期间高纬地区的三维电流体系是磁层和电离层物理的基本问题之一,本文简述了近年来发展的根据地面地磁活动的记录及演三维电流体系的两种较新的方法:KRM（Kamide-Richmond-Matsushita）方法和K（Kisabeth）方法.在KRM方法和许多其它类似的计算中,都假定磁力线是垂直于电离层沿地球径向的直线.本文介绍了一种递推方法,可计算场向电流沿弯曲的偶极子场线流动的情况。同时,还介绍了高纬三维电流体系对亚暴期间中低纬度地磁扰动的贡献。最后介绍了在计算电流体系时所需的电离层电导率模式。