带电粒子在中性线磁场中的运动

本文利用了小扰动方法、轨道法以及粒子的运动区域,比较系统地研究了带电粒子在中性线磁场中的运动。其结果是: 1.带电粒子的运动轨道可分为漂移轨道、波动轨道与8字形轨道三种形式。小扰动方法不能使用于中性线的区域内,在这个区域出现一个与小扰动漂移运动相反方向的运动。 2.在沿中性线方向的电场的作用下,中性线周围的部分粒子可以聚集到中性线附近。当粒子进入非小扰动区时,它们将被中性线磁场反射,并被电场加速。 3.计算出磁尾中性片的厚度为在这个区域内,大部分带正电的粒子的平均运动是沿晨昏方向,带负电的粒子的运动则相反。磁尾区出现一个等离子体中性片电流。     

磁尾宽频带静电噪声的一种新的激发机制

本文提出了磁尾宽频带静电噪声强谱段的一种新的激发机制。在等离子体片边界层中存在着瞬时的局域性的晨昏电场。电子和离子对该电场的响应不同:在电场存在的区域内,电子作回旋漂移运动,而离子轨道在的时间尺度内可视为直线。由于等离子体片边界层中等离子体是非均匀的,这就导致了电荷分离的产生,从而可激发静电不稳定性。本文通过求解含电场的Vlasov方程,计算了由此产生的不稳定波的频率和增长率,考察了波矢方向。上述计算结果均与强谱段静电噪声的观测特征一致。     

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.     

Alfven行波涌浪携带的场向电场──极光粒子加速机制

提出一个剪切Ａｌｆｖｅｎ波加速极光粒子的新模式。频率远小于离子回旋频率的Ａｌｆｖｅｎ波由磁层向电离层传播会演化成孤波，当场向电流超过离子声不稳定性的临界电流时，激发离子声不稳定性，波与粒子的相互作用产生反常阻尼使Ａｌｆｖｅｎ波演化成行波涌浪。它携带一个方向向上的平行电场，加速极光电子形成分立极光。对等离子体密度、电场及其对应的电势进行了数值计算，结果发现满足磁层加速区条件形成Ａｌｆｖｎ行波涌浪，提供足够强的加速粒子的电场。     

磁场重联中电子加速问题的物理分析和数值研究

观测表明耀斑中电子加速发生在软X射线耀斑环上方的磁重联区域.在重联电流片中被super Dreicer电场直接加速似乎是产生能量在10keV～10MeV之间高能电子的最直接的方式.本文的结果证明纵向电磁场可以有效地将电子“锁”在重联电流片上,使得横向电场得以直接加速电子.对于解释产生相对论性粒子的脉冲式耀斑,这可能是一个有效的机制.     

热层氧原子基态3P的精细结构能级的激发温度

本文讨论热层中氧原子与电子及中性粒子的碰撞,对氧原子在基态2P⁴³P的精细结构能级上布居的影响。计算了750K和2000K两个热层模式的、夜间和白昼、140至400公里高度间的精细结构能级激发温度。计算中,采用了一系列³P₁态的中性粒子碰撞去激发等效截面的假设值。基于Takao Tohmatsu由研究日气晖氧原子1302埃三重线相对强度提出的意见,得到各热层状态的激发温度下限值。     

Weimer电场模式在地球磁层内的特征

地球磁层中的电场是研究磁层物理的重要参数,目前常用的对流电场有均匀晨昏电场和投影电场.电离层电场可以看做磁层电场沿磁力线在电离层的投影,本文选取的电离层电场模型为Weimer(2001模式)电场.利用T96磁场模式,沿磁力线将电离层电场投影到磁层空间,得到一个新的磁层电场模式,并讨论了磁暴、行星际磁场(IMF)、太阳风参数和亚暴等对磁层电场的影响.利用该模型计算的电场结果与卫星探测结果相符.     

中纬电离层的低频等离子体不稳定性

本文研究了中纬电离层Rayleigh-Taylor不稳定性和漂移不稳定性的基本性质.如果不存在中性风和背景电场,中纬Rayleigh-Taylor不稳定性的增长率比赤道相应条件下的小.中性风和电场对中纬Rayleigh-Taylor不稳定性有重要影响.当中性风速度达到10m/s时,其作用就超过了重力.漂移不稳定性也受到重力、中性风和电场的影响,离子-中性粒子碰撞能降低漂移不稳定性的增长率.本文的分析表明,在赤道电离层容易产生大尺度的Rayleigh-Taylor不稳定性,在中纬电离层易产生小尺度的漂移不稳定性.     

电离层星载阻滞势分析器的误差仿真分析

阻滞势分析器经过半个世纪的发展,在国际上已经成为就位探测电离层离子密度、离子温度和离子速度的重要手段.本文介绍了阻滞势分析器的工作原理,建立了多种仿真模型,从微观上比较几种模型对粒子的作用特性.栅网和等离子体鞘层是影响阻滞势分析器误差的主要因素,本文重点研究了这两个因素对离子透过率的影响,分析发现鞘层电场会进一步影响栅网的电场畸变,从而加剧栅网对离子的"聚焦"作用.最后,我们通过仿真生成伏安特性曲线,利用理想模型公式进行最小二乘拟合并获得离子参数,对两种模型在不同温度输入时离子密度、离子温度和离子法向速度的探测误差做出了分析.     

磁尾电流片撕裂模时间演化的非线性性态

本文运用摄动法解析地研究了磁尾电流片平板模型非线性撕裂模的时间演化及与晨昏电场的相互作用.结果表明,撕裂模的非线性时间演化最终会形成磁岛,磁岛宽度与扰动增长率的四次方根成正比;在扰动晨昏电场的作用下,磁岛宽度可发生尖点突变,尖点突变临界值所对应的晨昏电场扰动幅值约为5mV/m,这与磁亚暴发生时晨昏电场的幅值对应.     

地球磁尾中不同类型磁结构的磁螺度演化特征

在二维三分量MHD数值模拟的基础上 ,对地球磁尾不同类型磁结构的形成作磁螺度分析 .研究表明 ,对于由晨昏电场产生的磁尾驱动重联过程 ,通过系统边界输运的磁螺度通量是引起系统总磁螺度变化的直接原因 .不同的初始磁螺度密度分布和磁螺度通量输运 ,可以引起中性片区域磁螺度密度分布的不同演化 ,从而导致具有不同拓扑位形磁结构的形成 .     

Guided waves in the plasma sheet and triggering of a substorm

A guided propagation of magnetoacoustic wave in the plasma sheet located between two lobes of the magnetotail is investigated. The dispersion equation for the wave and equation connecting a disturbance of plasma pressure inside the plasma sheet and amplitude of the plasma sheet boundary oscillations are obtained. For some value of plasma pressure disturbance, the displacement of the plasma sheet boundaries becomes of order of the half-thickness of the plasma sheet. In the case of symmetrical oscillations of the boundaries (“sausage-like” mode), it creates the favorable conditions for reconnection of the magnetic field lines in the magnetotail and may lead to triggering of a substorm. The magnetoacoustic wave may be generated by sudden impulse of the solar wind plasma pressure.     

伴随着高速流的磁尾电流片拍动观测研究

磁尾电流片在磁尾动力学过程中起着重要作用.卫星观测表明磁尾电流片经常处于拍动状态.但磁尾电流片拍动的特性和产生机制至今仍然没有被完全弄清楚.本文主要利用欧洲空间局Cluster卫星数据,研究一个伴随高速离子流的电流片拍动事件.该电流片拍动事件具有很强的周期性.拍动的周期约是2min,磁场振荡幅度约为20nT.能量电子和离子的通量具有周期性增强和减弱的特征.电流密度X和Y分量也具有周期性的振荡,并且振荡周期与磁场振荡周期一致.通过对粒子流速矢量与电流矢量的分析,发现粒子运动具有涡旋的特征.因此可以推断,该磁尾电流片的拍动不是由磁尾等离子体片高速流产生的,而是与局地等离子体不稳定性有关.     

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.     

基于MESSEGER观测对水星磁尾电流片磁场分布的统计研究

本文利用信使号飞船2011-2015年期间在轨磁场数据对水星磁尾电流片的磁场结构分布特征进行了统计分析.为探究磁场结构分布随水星径向距离的变化,电流片划分为近磁尾（-1.5R_M > X > -2.0R_M）和远磁尾（-2.0R_M > X > -2.5R_M）两个区域.所得结果表明：（1）无论是近磁尾还是远磁尾,电流片中的磁场都以+B_z分量为主,磁场方向几乎与磁赤道面垂直.（2）相比近磁尾,远磁尾电流片中磁场强度、B_z分量较弱,B_y分量较强,而且-B_z信号出现概率相对较大,这表明电流片中磁活动相对容易在远磁尾中发生.（3）磁场强度以及B_z分量在晨昏方向上的分布存在晨昏不对称性——在方位角120°~190°范围内相对较弱.弱B_z数据点（B_z<5 nT）也在昏侧（Y>0）发生较为频繁.（4）与B_z分布相反,磁场强B_y分量（|B_y|>5 nT）倾向于在晨侧（Y<0）发生.统计分析还表明,磁场B_y分量与行星际磁场B_y分量并无明显的相关性.对比地球磁尾电流片,我们对水星磁尾电流片B_z分量、强B_y分量的晨昏不对称起源机制作了探讨分析.     

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.