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.     

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.     

太阳耀斑电子束在日冕区产生的静电不稳定性

依据太阳耀斑爆发特征,建立了双耀斑电子束与日冕背景相作用的模型,数值结果表明,该等离子体系统将激发静电不稳定性,其时间增长率ω_i受耀斑热束密度与日冕背景密度比值（n_h/n_o）以及耀斑冷束相对论电子密度与日冕密度值（n_c/n_o）影响较大,并随它们增大而增大,其实频大小在耀斑热束等离子体频率附近。因此,此系统可激发大于1GHz的高频静电辐射,这些结果对揭示耀斑粒子在日冕空间传播行为有一定作用,并可用于探讨高频Ⅲ型射电机制。     

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.     

地球磁尾不同位置处高速流的统计特性研究

使用2007~2011年THEMIS卫星数据,对位于地球磁尾(|YGSM|13RE,|ZGSM|5RE,–30REXGSM–6RE)等离子体片内的高速流及背景的等离子体特性和它们与太阳风参数之间的联系进行了统计研究.我们发现,距离地球越近,高速流温度的增加相较于其背景要更强一些;高速流与背景的离子数密度比值和离子温度比值也都有所升高;而我们的统计进一步表明,高速流密度与其发生前2 h的太阳风密度相关性最高,背景密度与其观测时刻前3.5 h的太阳风密度相关性最高,且二者的归一化密度(密度与太阳风密度之比)均与其前3 h的行星际磁场θ角(θ=arctan(Bz/sqrt(Bx2+By2)))相关性程度最大.行星际磁场越倾向于北向,高速流归一化密度越大,与磁尾背景等离子体的性质相似.     

磁声重波在地球磁层中的传播

本文讨论了赤道附近地球磁层中磁声重波沿重力场方向的传播特征。结果表明,当波动频率小于截止频率ω_c时,磁声重波将在磁层中被反射。对于典型的磁层等离子体参数,ω_c的极大值约为0.3秒^-1。我们还讨论了磁声重波与地磁微脉动之间的关系,沿着重力场方向向下传播的磁声重波,可能直接引起赤道附近的P_c1磁脉动。     

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.     

磁重联与等离子体波动

磁场重联与等离子体波动之间存在显著的联系.其中准静态波动、激波和动力学阿尔芬波的本征模是磁重联结构的重要组成部分.而其它的高频波动,不仅能吸收粒子的自由能,还可以导致粒子的加热和反常电阻的产生.这些多尺度的波动过程揭示了磁重联中能量转换的多尺度性质.本文探讨了地球磁层磁重联过程中的各种等离子体波动,涵盖了动力学阿尔芬波、低混杂波、哨声波、静电孤波、离子声波以及电子尺度的高频静电波,并分析了它们在磁重联中的特性和作用.近期的研究成果表明,动力学阿尔芬波（kinetic Alfven wave, KAW）能够描述磁重联区域的微观结构,其中包括霍尔磁场、霍尔电场、平行电场、霍尔电流以及场向电流.在这一过程中,霍尔电场作用于离子,有助于提高重联速率.低混杂波主要在电流片的密度梯度较大处被激发,并对电子进行平行加热.而哨声波是由朗道共振和回旋共振机制驱动的.据当前研究所示,低混杂波和哨声波对于重联过程中的反常电阻效应的影响是次要的.静电孤波多在磁重联分界线区域出现,其对等离子体的加热效应仍需进一步研究.与此同时,关于高频静电波（例如高混杂波和电子伯恩斯坦波）的研究重点在于磁重联的扩散区,这些波被...     

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.     

地球磁层顶的无碰撞Kelvin-Helmholtz不稳定性（Ⅰ）

本文用无碰撞等离子体的CGL近似,讨论了地球磁层顶的Kelvin-Helmholtz（K-H）不稳定性问题。同可压缩MHD近似一样,CGL等离子体也存在下、上两个临界速度v_c和v_u。不稳定性仅当v_c<₀ cosα<_u时才能激发,v₀为磁鞘等离子体流速,α为v₀和切向波矢k_t间的夹角。在向阳面低纬区,时间增长率ε和空间增长率κ与可压缩MHD的相应值相近。当v₀ cosα≥v_u时,不稳定表面波转化为稳定的体波。各向异性对K-H不稳定性有显著影响。在近日点低纬处,若磁鞘各向异性参数S₂接近水龙带不稳定性的阈值,很小的v₀便能激发不稳定表面波。S₂低于极小值S₂^min时,不稳定性不可能产生。所谓Overstability现象是不存在的。     

中高度极隙区电磁不稳定性

研究了中高度（离地心３－４个地球半径）极隙区上行电子束流和上行氧离子（ｏ^＋）锥引起的沿磁力线传播的电磁不稳定性．采用的物理模型假定：上行电子具有单能束流分布函数，而上行氧离子（ｏ^＋）锥可用单能环－束分布函数来描述．结果表明，左旋和右旋圆偏振的低频电磁模是不稳定的，激发不稳定性的自由能源主要由上行电子束流提供，而上行氧离子（ｏ^＋）锥因自由能太小只影响频率色散关系，上行粒子（电子和氧离子）与背景等离子体密度比的变化对电磁不稳定性有重要影响．这些结果对解释权隙区纬度地面站低频电磁波观测资料和理解极隙区动力学过程是很有益的．     

非均匀运动等离子体中波传播的边值问题

本文使用热等离子体模型,研究了电磁波和电声波在具有非均匀电子密度剖面和非均匀速度剖面等离子体层中,斜入射波的非相对论性的传播过程,求得了传播方程边值问题的数值解。同时讨论了由于引入等离子体运动速度V₀以后对截止频率和可传播角度的影响。     

ELF plasma waves in hot and cold plasma fluxes observed by Prognoz-8 in the magnetospheric tail

We present Prognoz-8 observations of low-frequency plasma waves (2-105 Hz) associated with plasma fluxes near the outer boundary of the plasma sheet. These plasma fluxes were different from the regular plasma sheet boundary layer and consisted of tailward flowing warm proton and cold oxygen beams accompanied by rather cold electrons (T _e less than 100 eV). Observed plasma characteristics were used in the numerical solution of the dispersion relation for the ion-beam acoustic instability. Detailed analysis shows that this instability can be a source of observed emissions at frequencies up to 25 Hz.     

Dynamics of accelerated electron beams and X rays in solar flares with sub-THz radiation

Unique measurements by a solar submillimeter radio telescope (SST) have been carried out in the sub-THz radiation at 212 and 405 THz over the past decade. The spectrum of RF radiation in this region increased with frequency for the three flares of November 2 and 4, 2003, and December 6, 2006, and the flux value reached 5 × 10³?2 × 10⁴ sfu at 405 GHz (Kaufman et al., 2009). In this work, we consider a set of nonlinear equations for an accelerated electrons beam and the Langmuir wave energy density. The distribution functions of the accelerated electron beam and wave energy density are calculated taking into account Coulomb collisions, electron scattering by waves, and wave scattering by plasma ions. In addition, the source of accelerated particles and the heat level of the Langmuir turbulence are specified. The beam and plasma parameters are chosen based on the aims of a problem. The plasma concentration varies from n = 10¹³ to 10¹⁵ cm^?3, the electron plasma frequency f _p = (3 × 10¹⁰?3 × 10¹¹) Hz in this case. The ratio of plasma and beam concentrations, sufficient to explain the value of the radio flux at a frequency of 300 GHz, is n _b/n = 10^?3. The Langmuir turbulence is excited due to the instability of the accelerated electron beam with an initial distribution function of the ??bump-in-tail?? type. Then, the parameters of radiowaves are calculated in the sub-THz range under the assumption of coalescence of two plasma waves. The calculation results show that a sub-THz radio flux can be obtained under the condition of injection of accelerated electrons. The fine time structure of radio flux observed is easily simulated based on this statement by the pulsed time structure of electron beams and their dynamics in overdense plasma. X-ray and gamma radiation was recorded during the events under study. Hard X-ray radiation is bremsstrahlung radiation from accelerated electron beams.     

我国极区冬季电离层加热实验研究

通过对非相干散射雷达观测数据的处理分析,研究了2008年1月我国在挪威Troms进行的冬季电离层加热实验效应.研究结果表明,电离层临界频率大于泵波频率的O波加热事件扰动效应明显,电子温度存在60%~120%的增强,扰动范围从150 km一直延伸到400 km,电子密度扰动不显著,最大可以观察到12%的密度衰减.受加热影响,离子声波频率有1~2 kHz的增加,离子线谱峰谷比增加,有时伴随有高阶谐振线出现.离子线和等离子线功率存在过冲现象,等离子线的功率剖面存在单峰、双峰和三峰结构,等离子线的功率增强幅度随频率负指数衰减.     

Disturbances of the topside ionosphere caused by typhoons

The measurements on board the Cosmos-1809 satellite of various parameters of the topside ionosphere plasma during more than ten typhoons in various regions are analyzed. It is shown that specific zones of increased pressure of the electron gas, electric field, and intense ion oscillations are formed during the intensification stage. In some cases the “typhoon eye” is formed over the tropical depression zone in the ionosphere, that is, the region with sharply decreased plasma density and pressure is observed a day and more prior to the moment when it happens in the atmosphere.     

Fine structure of microwave emission in the 25 August 1999 event and its association with the magnetic field fine structure

A study is made of the initial stage of the 25 August 1999, event using high time-resolution microwave observations, as well as the data from the Siberian Solar Radio Telescope and Yohkoh/SXT/HXT. Microwave emission revealed fine structures with a typical time scale of about 1 s with a frequency drift 1 GHz/s, and structures with a typical time scale of less than 0.1 s with a frequency drift 10 GHz/s. Emission bands with a slower frequency drift are generated by energetic electrons subjected to the cyclotron resonance condition. This slower frequency drift is a consequence of a change in plasma density caused by the coalescence of magnetic structures with a typical size of the order of 10⁸ cm, while the emission with a faster drift is generated by beams of energetic electrons generating Cherenkov resonance emission. The energetic electron beams are produced as a result of the interaction of magnetic structures 10⁶–10⁷ cm in size.     

基于SAMI2模式的电离层加热模拟

通过在SAMI2模式的电子能量方程中添加人工加热项,数值模拟了在加热条件下磁场线上电子温度与电子密度的扰动情况,并对比了不同加热条件下的扰动效应.结果表明,入射到电离层中的大功率无线电波与等离子体相互作用,能够有效造成整条磁场线上电子温度的升高而产生电子温度扰动,尤其是加热点处,温度可增加3倍多;由于电子温度升高,压力平衡受到破坏,引发等离子体扩散进而导致电子密度扰动;电子密度扰动使得垂直于磁场线的电子密度梯度发生变化,这有可能形成电离层管(Ionosphere duct);电子温度和电子密度的扰动幅度随着加热时间的推移而减小,即扰动逐渐趋于稳定.电子温度与密度的扰动与加热率存在一种非线性关系.     

Disturbance of the ionospheric <Emphasis Type="Italic">D</Emphasis> region by the electric current of the atmospheric-ionospheric electric circuit

The mechanism by which electron and ion densities change in the ionospheric D region due to the electric current flowing in the atmospheric-ionospheric electric circuit is studied. The current disturbance in this circuit exists over the regions of increased seismic, meteorological, and thunderstorm activity. In the framework of the model, the influence of the electron and ion transportation under the action of the electric field on the formation of a disturbance in the D region and heating of the plasma electron component by the field are considered. The calculation results show that the densities of electrons and ions can change by an order of magnitude at an increase in the current density up to ∼(10⁻⁹–10⁻⁸) A m⁻², the sign of the disturbance depending on the current direction.