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.     

磁场偶极化过程中磁尾离子加速:Ⅱ上行离子速度和能量的变化

根据采用动力学方程对亚暴期间磁尾磁场向偶极形弛豫过程中离子分布函数的模拟结果 ,研究了磁尾来自电离层的O+,H+和He+离子的速度及能量随时间的变化 .主要结果为 :（1 ）离子的加速及能量变化主要发生在磁场偶极化过程的中期 ,对应的地心距离位于- 1 2RE到 - 8RE 之间 ;（2 ）垂直于磁场方向上离子加速及能量变化较快 ,平行方向上较慢 ;（3）轻离子较重离子加速及能量变化快 ,磁场偶极化终结 ,3种离子的能量均可增加 2 0 0倍左右 ;（4）初始能量较高时 ,离子加速及能量变化较快 ,离子最终获得的能量较大 .理论计算的磁尾离子能量在磁场偶极化过程终了可达 1 0 2 keV的量级 ,这与观测结果一致 .     

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.     

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.     

磁暴期间环电流离子增长与磁尾离子注入的因果时序探测研究

TC-2卫星上的中性原子成像仪(NUADU)在2005年5月15日磁暴期间(并伴随有系列亚暴事件)记录了反映环电流离子连续变化的能量中性原子(ENA)图像探测数据.比较由中性原子图像反演的4 min时间分辨的环电流离子空间分布与地球同步轨道LANL系列卫星(环绕赤道面~6.6 RE)上同步轨道粒子分析仪(LANL-SOPA)原位离子通量探测数据,以及相同高度的同步系列卫星GOES的磁场数据,发现环电流区离子通量增长发生在磁力线尾向拉伸的亚暴增长相阶段,而不是发生在磁场偶极化之后.这一发现挑战了以往的环电流离子注入是磁场偶极化时由磁尾直接注入的概念,但仍需更多的观测实例进一步认证.     

2005年8月24日磁暴主相期间亚暴过程的多卫星联合观测分析

本文根据OMNI、TC-2卫星、LANL系列卫星、Cluster星簇卫星(C1-C4)以及加拿大的8个中高纬地磁台站的观测数据,研究了2005年8月24日强磁暴(SYM-H_min~ -179 nT)主相期间的强亚暴(AL_min~ -4046 nT)事件特征.该强磁暴在大振幅(IMF B_{z min}~ -55.57 nT)、短持续时间(~90 min)的行星际磁场条件下产生,有明显的磁暴急始(SSC),强度较大且持续时间较短.发生在磁暴主相期间的亚暴发展的主要特征如下:亚暴增长相期间,C1-C4卫星先后穿越中心等离子体片;亚暴膨胀相触发后,在近地磁尾(X~-6R_E)可观测到磁场偶极化现象;等离子体无色散注入区在亚暴onset开始后迅速沿经向扩展,但被限制在有限的经度范围;磁纬60°附近,Pi2地磁脉动振幅超过了100 nT.膨胀相开始后,在中、高磁纬地磁台站可观测到负湾扰,近地磁尾可观测到Pi2空间脉动,中磁尾区域可观测到尾向流、磁重联以及O⁺/H⁺数密度比值在亚暴onset之后增大等现象.分析表明该强磁暴主相期间的强亚暴现象发生时序是自内向外:X~-6R_E处TC-2观测到磁场偶极化(~09:42:30 UT),同步轨道卫星LANL1994-084观测到等离子体无色散注入(~09:44:30 UT),X~-17.8R_E处C1观测到磁场重联(~09:45:30 UT),由此推断该亚暴事件很可能是近地磁尾不稳定性触发产生,其发生区域距离地球很近.     

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.     

磁场偶极化过程中磁尾的电离层离子加速:Ⅰ离子分布函数的演化

采用动力学方程,对亚暴期间磁尾磁场向偶极形弛豫过程中离子分布函数的演化进行了模拟研究,主要结果为：（１）初始时刻分布函数为相对于速度呈指数下降的离子束,在随时间变化过程中,逐渐变为相对于速度（包括平行和垂直速度）的单峰结构,且单峰在速度空间的位置随时间的变化而向高速方向移动;（２）在速度空间中平行于磁场方向上单峰向高速方向移动得较慢,在垂直方向上移动得较快;（３）轻离子分布函数峰值的位置较重离子随时间的变化向高速方向移动较快。（４）初始能量较高时,离子分布函数的单峰位置向高速方向移动较快。（５）离子团在磁场偶极化过程中表现为一束地向流．本文还对上行离子受感应电场的加速进行了讨论．     

ESW在磁尾磁场重联耗散区分形线附近的观测特性及其作用

磁场重联是空间能量释放和转换的重要机制.静电孤立波(ESW)虽然在空间中有广泛观测,但在磁场重联附近少有直接观测,对它在磁场重联附近的特性了解甚少.通过Geotail卫星对一个磁场重联事件的观测,仔细分析了其边界层上观测到的静电孤立波的特性,并讨论了它对磁场重联的影响.研究表明,亚暴期间在磁尾发生磁场重联,重联区域的分形线附近观测到了大量的静电孤立波,其特性与在其他地方观测到的并没有显著差别,但具有更明显的非线性和孤立性的特征.它们对电子加速和能量耗散有促进作用,加速磁场重联的进程.     

通量传输事件磁场的理论计算及其与观测的比较

根据涡旋诱发重联理论,对通量传输事件（FTEs）磁场分布特性作了计算.结果表明,卫星测到的FTEs的不同磁场分布形态,是取决于通量管的运动方向及卫星穿越通量管的部位.在北半球,当通量管由低纬向高纬（由南向北）直向运动时,不论卫星通过什么部位,绝大多数情况下观测到先正后负的B_x,变化（即正FTE）,个别部位观测到先负后正的B_x变化（即反FTE）;B_z是单峰分布形式,表现为V型、倒V型或是U型和倒U型.当通量管在x方向有正或负速度分量即斜向运动时,大部分部位测到的B_x呈不规则变化,B_z表现为双极分布.与61个FTEs的观测实例作了对比,理论计算与观测符合得较好.     

Evaluation of energetic particle parameters in the near-Earth magnetotail derived from flux asymmetry observations

The flux asymmetries measured by spectrometers on board spacecraft contain information on particle parameters. The net flux intensity (NFI) method provides a tool to evaluate these parameters. The NFI method is valid when both the spin period of the spacecraft and the time resolution of the particle spectrometers are much shorter than the characteristic time-scale of the particle flux variations. We apply the NFI analysis to the flux asymmetry measurements made by GEOS 2 at the nightside geosynchronous orbit in the late substorm growth phase. The cross-tail current of energetic ions, their pressure gradient and average drift velocity, as well as a field-aligned flows are investigated. Current disruption at substorm onset and the –convection surge mechanism during dipolarization of the magnetic field are directly observed.     

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。     

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.     

微地震信号的变速FK滤波-自适应极化滤波方法

针对微地震信号的特点,研究了变速FK滤波-自适应极化滤波方法.在设计FK滤波因子时,通过计算相邻道滑动时窗内信号的互相关系数,确定时窗内信号的视速度范围,实现变速FK滤波;对时窗内的信号进行二维FFT变换时,分别在时窗的纵横向上补零充位,消除信号在二维变换时造成的时空域的混跌和泄漏;在设计自适应极化滤波因子时,针对复杂波场中波的偏振方向的不确定性问题,本文通过计算相邻道信号偏振投影的最大互相关系数,确定波的跟踪分量;把波的跟踪分量作为极化滤波因子里的期望方向,改进常规滤波因子,实现自适应极化滤波.对理论模型和实际资料的处理结果表明,该方法理论正确,实际资料的处理效果也得到了明显的改善.