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．     

行星际磁场By分量对地球磁层顶场向电流调制

采用三维可压缩MHD数值模拟研究了行星际磁场By分量的变化对磁层顶重联区场向电流大小和分布的影响. 行星际磁场通过模拟区x=-Lx处左边界条件By来影响重联过程，从而改变重联区的场向电流. 研究结果表明边界条件By的突然改变，能使重联区场向电流迅速增加，甚至达到增大一个量级的水平.By本身的存在(即不为零)也会使场向电流维持在一个较高的水平. 由于行星际磁场By分量不为零，而形成模拟区磁场By不对称分布，这种不对称分布是场向电流不对称分布产生的主要原因. 这些结果是与Orsted卫星最新观测结果和地 面观测结果相符合的，它表明行星际磁场By分量对地球空间场向电流有较大的调制作用.     

暴时场向电流及磁层—电离层耦合过程

本文综述了不同类型电离层场向电流(亦称为Birkeland电流)及其在地磁扰动(磁暴和亚暴)期间的时空分布特征.首先简述了场向电流近70年的研究历程,总结了各种与太阳风—行星际磁场(interplanetary magnetic field,IMF)、电离层电导率空间分布不均匀相关的1区和2区场向电流,北向、晨昏向IM...     

1989年3月13-14日大磁暴期间场向电流的特征

用空间飞行器EXOSD获得的磁场和电场资料确定了1989年3月13-14日大磁暴期间黄昏区和早晨区场向电流(FAC)的特征.这个磁暴开始于3月13日0128UT 的急始(SSC).第二个急始出现在当天的0747UT.磁暴持续到3月14日.紧随第一个急始之后,在黄昏和早晨扇区内,FAC 区的赤道侧边界开始向赤道移动,但极侧边界并未立即响应急始.FAC 区体系的赤道侧边界达到48°不变纬度,相当于L=2.2,FAC区的纬度宽度大大增加,尤其是晨侧场向电流(不变纬度约33).在昏侧.通一常以向上的l区电流和向下的2区电流为特征的电流体系(FACs)变成复杂的图案,它由许多随磁暴而发展的向上和向下的FAC电流对组成,尤其在3月13日22UT左右,在地面不变纬度50处观测到强大的东向电集流.磁暴期间,在晨侧扇内,在通常的向上l区FAC和向下2区FAC系统朝向极的一边,观侧到一个附加的大尺度的向上FAC,而在该FAC极侧边界上还观测到一对纬度宽度很窄(～1。5°)的FAC     

亚暴期间电离层场向电流的分布特征——CHAMP卫星观测

场向电流在不同的等离子体区之间传递能量、动量和质量,是磁层与电离层之间的关键耦合过程.本文利用CHAMP卫星高精度的空间磁场测量数据,研究亚暴期间极区电离层场向电流的统计学分布特征.研究表明场向电流的大小与所在位置呈现明显的日夜和晨昏不对称性,具体为：（1）场向电流的大小与亚暴极光电急流指数（AL）密切相连,AL愈大,电流愈强,亚暴期间电流强度相对平静期来说可增加约5倍,昏侧和夜侧电流强度与AL指数的相关性较好,晨侧和白天侧两者相关性较差;（2）电流的峰值密度所在位置与AL指数的相关性不高,昏侧电流所处纬度低于晨侧,而夜晚电流所处纬度低于白天侧.     

地基观测的夜侧极光对行星际激波的响应

行星际激波与地球磁层相互作用通常会导致日侧极光活动增强,随后沿着极光卵的晨昏两侧向夜侧扩展的激波极光.行星际激波也可能直接导致夜侧扇区极光活动增强,甚至沉降粒子能通量的数量级可以与典型亚暴相比拟.本文首次利用我国南极中山站和北极黄河站连续多年积累的极光观测数据,对行星际激波与地球磁层相互作用期间地面台站在夜侧扇区(18—06MLT)观测的极光响应进行了分析.对18个极光观测事件的分析结果表明:行星际激波与磁层相互作用可以在夜侧触发极光爆发和极光微弱增强或静态无变化事件;太阳风-磁层能量耦合的效率以及磁层空间的稳定性决定着行星际激波能否触发极光爆发.     

TC-1卫星在近地磁尾观测到的持续尾向流、等离子体片变薄和偶极化过程

2004年7月14日TC-1卫星在近地磁尾(-9.3Re,-5.4Re,1.2Re)附近观测到了伴随有持续尾向流的等离体片变薄和偶极化过程.尾向流持续时间为32分钟.偶极化过程中磁场By分量没有明显变化.在偶极化过程发生两分钟之后,地面台站观测到的Pi2脉动.ACE卫星的观测表明行星际磁场有弱的南向行星际磁场（-2nT）,持续时间约55分钟.Imagine卫星在电离层区域没有观测到极光出现.和伴随有极光增亮的亚暴过程相比,南向行星际磁场明显较弱,且持续时间短.TC-1卫星和ACE卫星的联合观测表明尾部释能有大有小,并非达到某值才能发生.但能量小时,不能够引起极光亚暴.其次南向行星际磁场有可能与近地磁尾尾向流有密切关系.     

在行星际磁场北向期间靠近子夜极光椭圆带的B_y分量控制的场向电流

在行星际磁场(IMF)B_z 分量为正,B_y,分量特别稳定时,用向南飞行的地磁卫星观测到的磁场资料确定了一个新的B_y 控制的子夜扇区场向电流体系.该电流体系由大致平行于极光椭圆带的三层场向电流组成,被命名为子夜扇区三层场向电流体系(MTS).当B_y 为负(正)时,MTS 电流体系在南半球出现于子夜前扇区(子夜后扇区),该电流体系最靠近赤道的一层和最靠近极点的一层电流流出(流入)电离层,而中间一层电流流入(流出)电离层.MTS 电流体系是在比通常1区和2区的场向电流体系更高的纬度发展的一种电流体系.当IMF B_z 为负或接近零值时,1区和2区的电流体系发展起来,MTS电流体     

磁暴期间极尖区场向电子事件研究

根据Cluster卫星在中高度极尖区的观测数据,分析研究了两次连续磁暴期间极尖区场向电子事件的持续时间以及与Dst值和Dst时间变化率之间的关系.结果表明,磁暴期间场向电子事件的持续时间的范围为6~54 s,大多数场向事件的持续时间小于34 s;极尖区场向电子事件的最大密度和最大场向通量与Dst值没有明显的相关关系;而随着Dst变化率的增加,场向电子最大密度和最大通量也随之增加,场向电子最大密度与Dst变化率之间的相关系数为0.81,场向电子最大通量与Dst变化率之间的相关系数为0.56,下行电子最大通量与Dst变化率之间的相关系数为0.85.经讨论认为行星际磁场持续南向、太阳风速度和动压的急剧增加是引起场向电子通量增加的主要原因.     

太阳平静期地磁场与电离层时空变化相互作用分析

作为地球空间环境的重要组成部分,地磁场和电离层是地球物理研究中的重要方向.新的观测数据和处理方法为人们更加深入地认识地磁场和电离层时空变化之间的相互作用发挥了巨大的促进作用.本文利用欧洲轨道测定中心(CODE)提供的全球电离层垂直总离子浓度地图(GIM)数据和Swarm卫星的观测数据,基于数据统计的方法,对太阳平静期不同纬度地区地磁场和电离层时空变化之间的相互作用进行了分析.从地磁场对电离层时空变化的作用来看,本文利用Swarm卫星数据发现电离层电子浓度在赤道地区呈"马鞍"形分布,在高纬度地区变化剧烈,验证了因地磁场对电离层时空变化影响导致的电离层赤道异常和极盖吸收等现象的存在,同时利用GIM数据通过张量秩-2分解和主成分析发现沿地磁场方向电离层的空间变化更加迅速,体现出地磁场对电离层时空变化的约束作用.从电离层对地磁场时空变化的作用来看,基于CHAOS-5模型对地磁内源场和磁层环电流磁场的预测,本文从Swarm卫星磁测数据中分离出电离层中电流体系的磁效应,其中包括赤道电集流、中纬度地区的Sq电流体系和极区电集流的磁效应,为进一步反演电离层电流体系奠定了基础.     

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   

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.     

An analogue model study of EM induction in the North China-Korea coastal region

The behaviour of the magnetic field variations over the North China-Korea coastal region is studied with the aid of a scaled laboratory analogue model. The model source frequencies simulate naturally occurring geomagnetic variations of 3–60 min periods. In-phase and quadrature magnetic B_x, B_y and B_z field measurements for the modelled region are presented for E- and B-polarizations. Large anomalous in-phase and quadrature model magnetic fields are observed over the Korea-Japan strait for E-polarization and over the Bohai strait for B-polarization due to current channelling through the straits. Large responses of the peninsulas in the shallow coastal areas occur at short periods but decrease abruptly with increasing period. In general, the effects of peninsulas, straits, bays and irregularities in the coastlines play an important role in the magnetic field responses both on-shore and off-shore for this complex North China-Korea coastal region. Model and field site induction arrows are compared for three sites west of Bohai Bay.     

行星际磁场B_y对弓激波影响的MHD结果

利用全球磁流体模拟的结果,本文研究了行星际磁场B_y对弓激波位型的影响.结果显示:随着行星际磁场B_y绝对值的增大,弓激波的日下点距离、旋转对称张角、南北非对称性以及旋转非对称性均随之增加.其中,B_y对弓激波日下点距离的影响可达5 RE左右.东向B_y和西向B_y对弓激波位型影响具有对称性,东向B_y和西向B_y大小相同时弓激波日下点距离、旋转对称张角以及旋转非对称性参数均相同,而南北非对称性参数大小相同正负相反.行星际磁场B_y占主导时弓激波尾部横截面在南北方向上拉伸,并且拉伸程度随着B_y绝对值的增大而增大,弓激波尾部横截面的拉伸现象与磁声波马赫数密切相关.     

On the strength of electric currents and zonal magnetic fields at the top of the Earth''s core: Methodology and preliminary estimates

A new method is described for estimating: (a) the meridional electric current density, j_θ, (b) the vertical growth rate of the zonal magnetic field, ∂B_φ/∂r, or its scale-height, B_φ/∂B_φ/∂r) and (c) the vertical growth rate of the vertical current density, ∂j_r/∂r, at a few isolated points on the top surface of the Earth's core from observations of the internal geomagnetic field at the Earth's surface. The theoretical technique rests on combining unaccelerated, gravitationally-driven Boussinesq fluid dynamics of the core with frozen-flux electromagnetism, the mantle being treated as a spherically symmetric insulator.

Insertion into this theory of main field models for epochs 1965, 1975 leads to preliminary values for these quantities of magnitude: (a) j_θ 1 A/m², (b) ∂B_φ/∂r 10⁻⁶ T/m or B_φ/(∂B_φ/∂r) 10 m, (c) ∂j_r/∂r 10⁻⁶ A/m³. Some geophysical implications of these estimates are discussed.     

地磁场结构对静止轨道≥2 MeV高能电子分布的影响

基于AE8电子辐射带模式和各地磁场模式,本文系统分析了地磁场模式、太阳风、地磁扰动、地磁轴指向对静止轨道≥2 MeV高能电子分布的影响以及静止轨道不同经度位置≥2 MeV高能电子分布的差异,并与GOES系列卫星实测结果进行了对比分析.结果表明,AE8+IGRF+T96模式所得静止轨道≥2 MeV高能电子分布结果优于AE8+IGRF+OPQ77模式或AE8+IGRF+T89模式结果,其大部分定性结果与GOES系列卫星观测结果较为一致,AE8+IGRF+T96模式所得静止轨道≥2 MeV高能电子分布与磁壳参量Lm、局地磁场B分别呈较好的负和正相关性.基于AE8+IGRF+T96模式得到在相同太阳风及地磁扰动条件下2010年每分钟静止轨道≥2 MeV高能电子通量分布结果,经分析得到：1年内每个时刻静止轨道上≥2 MeV高能电子通量最大值和最小值比值变化范围为2.50~7.51,变化主周期为1天,每天比值变化量都超过3;1年内静止轨道各经度位置每天内≥2 MeV高能电子通量最大值和最小值比值变化范围为2.98~6.00,比值随着时间和经度位置而变化;1年内同一天静止轨道各经度位置≥2 MeV高能电子日积分通量最大值出现在170°W附近,最小值出现在70°W附近,最大值与最小值的比值分布在1.86~2.13之间.以上所得静止轨道≥2 MeV高能电子分布变化主要来自Lm变化,B/B₀的影响小于5%,其中B₀为磁力线上磁场最小值.因此,在构建≥2 MeV高能电子分布模式时,需要考虑地磁场结构的影响,特别是Lm参数.     

行星际磁场对极尖区位形变化的统计研究

利用Cluster卫星数据,选取2001—2010年期间的616个极尖区穿越事件,研究了行星际磁场（IMF）的大小和方向对极尖区位形的影响.结果表明：当B_z为北向时,随着B_x负向的增大,极尖区的磁不变纬度向高纬方向（极区）移动;当B_z为南向时,随着B_x负向增大,极尖区的磁不变纬度略微向低纬度方向（赤道）移动.B_x正向增大时,极尖区并没有明显移动.B_x对极尖区影响在南半球较为显著,在北半球没有明显规律性变化.此外,随着行星际磁场锥角的增大（>90°）,极尖区也随之向高纬移动.当B_z南向时,随着B_y的负向增大,极尖区在北半球向晨侧移动,在南半球向昏侧移动.而当B_z南向增加时,南北半球两个极尖区的磁不变纬度都朝赤道方向移动;但北向B_z时几乎没有移动.     

伴随2000年9月30日sawtooth事件地磁变化和电流楔特征研究

为了解极光电集流在sawtooth事件期间的响应情形,本文利用北半球高纬地磁台站的磁场数据,建立了以球元基本电流系反演法求得大尺度电离层水平等效电流系分布的方法,以此研究了2000年9月30日同步轨道LANL卫星观测到的sawtooth事件期间极光电集流的变化.本文将sawtooth注入事件后极区电离层夜侧西向电集流增长的特征,与中低纬地基磁场北向分量正弯扰的特征做比较分析.两者的观测结果都表明在本sawtooth注入事件期间有电流楔的形成,且电流楔约有11 h磁地方时(MLT)的宽度.此外,中低纬磁弯扰达到最大扰动值的时间一般比高纬电集流达到最大扰动值的时间长,说明影响中低纬磁弯扰变化的电流源较丰富.     

How does the U-shaped potential close above the acceleration region? A study using Polar data

We present a statistical study of Polar electric field observations using auroral oval passes over Scandinavia above the acceleration region. We are especially interested in seeing whether we can find large perpendicular electric fields associated with an upward extended classical U-shaped potential drop for these passes, during which Polar is in the northern hemisphere usually at about 4 R_E altitude. We also use Polar magnetic field data to infer the existence of a field-aligned current (FAC) and conjugate ground-based magnetometers (the IMAGE magnetometer network) to check whether the event is substorm-related or not. We find several events with a FAC but only weak perpendicular electric fields at Polar. In those rare cases where the Polar electric field was large, its direction was mostly found to be incompatible with the U-shaped potential model, or it was associated with disturbed conditions (substorms), where one cannot easily distinguish between inductive and static perpendicular electric fields. We found only two cases which are compatible with the upward extended U-shaped potential picture, and even in those cases the potential value is quite small (1–kV). To check the validity of the analysis method we also estimate the perpendicular electric field on the southern hemisphere, where Polar flies within or below the acceleration region, and we found a large number of inverted-V-type signatures as expected from previous studies. To explain the lack of perpendicular electric fields at high altitudes we suggest an O-shaped potential model instead of the U-shaped one.