亚暴事件中磁尾多重等离子体团的数值研究（Ⅱ）

以宁静磁尾平衡解为初态,本文考虑介质的可压缩性,对GEOTAIL卫星于亚暴事件中,观测到多重等离子体团与高能离子爆相对应之特征作模拟研究．数值结果表明：重复形成的等离子体团是高温、高密度区,揭示了等离子体团与高能离子爆──对应的动力学原因．本文的模拟结果还表明：大尺度等离子体团的地向运动,与X中性点的尾向迁移及地向流动增强相对应,而上述现象与驱动入流沿着边界的分布形态（即电场E的分布）有关．     

亚暴事件中磁尾多重等离子体团的数值研究（Ⅰ）

GEOTAIL卫星于1994年1月15日亚暴期间，在深磁尾（x＝96R_E）观测到多重等离子体团及与之相对应的高能离子爆，作者以宁静磁尾平衡位形为初态，考虑介质的可压缩性，数值研究亚暴期间磁尾动力学过程．计算结果展现了等离子体团间歇性形成及其运动发展过程．体现了强亚暴事件中储存于碰尾的能量，通过多重等离子体团的排放而逐渐释放的进程．数值结果还表明：持续施加于边界上的晨昏电场及由此引发的驱动重联是导致等离子体团准周期形成的主要因素．此外，作者还考察尾瓣内任一点磁场强度及其分量随时间的演化，它与行进压缩区（TCRs）的观测特征基本相符．     

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.     

磁尾地向传播等离子体团的模拟研究

卫星观测证实了磁尾等离子体团与亚暴活动的相关性,除了具有北-南双极特征的尾向传播等离子体团外,还发现地向传播等离子体团,它们表现为南-北双极中性片事件和南-北双极瓣区讯号. 资料分析表明:南-北双极讯号的出现几率远低于北-南双极讯号,并且南-北双极事件主要发生于行星际磁场北向和地磁宁静条件,它们往往与小的孤立的地磁亚暴相关. 本文根据地磁宁静时期(IMF Bz北向且By≥Bz)越尾电场Ey分量的分布特点,对地向传播等离子体团作模拟研究. 两类算例的数值结果展示了通量绳磁结构及具有复杂闭合磁力线位形的等离子体团的基本特征,上述特征与尾向传播的等离子体团类似,与IMP 8卫星关于地向传播南-北中性片事件的观测特征大致相符. 数值结果还展示了与Schindler示意图相类似的磁力线拓扑位形,在一定程度上为南-北事件出现几率低作出了解释;并且揭示了磁尾中性片内越尾磁场分量By对磁重联发展的抑制作用. 本文的模拟研究说明:无论磁尾处于活动时期(IMF Bz为南向),还是宁静时期(IMF Bz为北向且By≥Bz),磁场重联均是磁尾等离子体加速和加热的通用机制.     

亚暴期间磁层和电离层相互耦合的计算

本文假设亚暴时跨尾电流被等离子体团中断,转向成沿磁力线流动的1区场向电流。根据文献[1]的模拟结果,算出场向电流在电离层中的分布。并以此场向电流为输入,计算电离层电势和电流。结果表明,场向电流强度可达1.5×10⁶ A以上,与观测结果一致;它主要分布于70°N以北的区域。电离层电流主要以夜间西向电射流形式出现,主要成份是Hall电流;极区电位降最大可达190kV。本文还简要讨论了等离子体团的晨-昏向尺度对场向电流分布和电离层电导率对电离层电流的影响。     

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．     

驱动重联过程中等离子体团的聚合

本文对驱动重联过程作了二维可压缩磁流体动力学模拟．对于长的计算域（１：４），在持续入流的作用下形成了双重磁岛结构，这些磁岛在向外运动的过程中不断靠近，逐渐聚合成为一个大的等离子体团，并继续向外运动．这说明在地球磁层顶和磁尾所观测到的大尺度磁结构，很可能是在驱动重联过程中，由较小的等离子体团聚合后形成的．并初步揭示了在空间等离子体中，磁岛的聚合过程难以直接观测的动力学原因．     

磁尾通量绳结构中由压强损失导致的核心场增强

与亚暴活动密切相关的磁尾等离子体团可以具有不同的拓扑位形,多数磁尾等离子体团具有 强核心场,是一种通量绳型磁结构. MHD模拟表明：地球磁尾不同拓扑位形磁结构的形成, 与越尾分量By的分布形态有关. 但是模拟研究所展示的通量绳结构,核心场强度远低 于尾瓣区磁场强度. 本文考虑磁尾通量绳结构中,螺旋形磁力线向侧翼伸展产生的压强损失 ,在MHD方程中引入修正项ρt|loss,Tt|loss 及Byt|inc. 对于 初始By分量为均匀分布,受晨昏电场产生的边界入流作用,磁尾通量绳结构重复形成 与逐一排放的两个算例,计入修正项后,多重磁结构峰值压强的平均值降低,核心场的平均 值明显增大. 两个算例中,背景By值较低的算例1（By0=1nT）中,核心 场的相对增幅较大.     

等离子体片离子分界线的模拟研究

等离子体片离子向内磁层的渗透在亚暴和磁暴过程中都起到了重要作用.以往对于等离子体片离子向内磁层的渗透都是通过固定磁矩的磁层离子漂移轨道理论来进行的.本文将过去的(U,B)空间中固定磁矩的磁层离子漂移轨道理论扩展为固定能量的磁层离子漂移轨道理论,讨论了等离子体片质子在向地球输运过程中,不同能量的质子开放轨道和封闭轨道的分界线的特性,及其随Kp指数的变化.在高能端,随着能量的升高,等离子体片质子分界线地心距离逐渐增大,且分界线的晨侧地心距离远远大于昏侧的地心距离.在低能端,随着质子能量的降低,质子分界线地心距离逐渐增大,且其分界线的昏侧地心距离要大于晨侧的地心距离.模拟结果还显示随着Kp指数的增强,等离子体片中不同能量的质子分界线都向地球移动.但在低能端和高能端,质子分界线的行为是不一样的.在低能端,随着Kp指数的增大,质子内边界形状基本保持不变.但在高能端,随着Kp指数的增大,质子内边界形状也将发生变化.在E=20 keV,Kp=6和E=10 keV,Kp=3两种情况,质子分界线甚至出现了两个分离的区域,一个是环绕地球的封闭轨道区域,一个是晨侧孤立的锥型区域.等离子体片能量为E的质子的内边界就是具有不同磁矩的Alfven层上能量为E的点的连线.TC-1热离子谱仪对等离子体片离子内边界的观测显示模拟结果与观测结果符合得很好.     

磁尾中交换不稳定性所产生偶极化锋面的动力学特性研究

本文利用考虑了Hall效应和有限Larmor半径（FLR）效应的磁流体数值模拟研究了在离子惯性长度/离子Larmor半径尺度内偶极化锋面的动力学特性.偶极化锋面由磁尾近地区域中由于热压尾向梯度和磁场曲率力不平衡所引起的交换不稳定性自洽产生.数值研究表明,偶极化锋面是切向间断,在相对该锋面结构静止的参考系中等离子体穿过偶极化锋面的法向速度为零.Hall效应主要影响与偶极化锋面的切平面相正交的电场,使得锋面切向电流增大,同时产生锋面结构不对称.研究表明离子在Larmor半径尺度产生的FLR效应可导致锋面结构的大尺度漂移运动.由FLR效应产生的离子磁化流速在偶极化锋面的日下点处指向昏向,锋面后区域的速度晨向分量增长,从而导致整个锋面结构向晨向漂移.     

高能电子爆发与绕月卫星表面电位大幅下降的联动效应

"嫦娥"一号、二号绕月飞行经历地球磁尾边界层区域时,分别在2007年11月26日—2008年2月5日和2010年10月3日—2011年2月28日,发现了15次月球轨道0.1~2 MeV电子急剧增加(Bursts of 0.1~2 MeV Energetic Electrons,BEE),卫星周围等离子体离子加速的现象.统计研究表明,这类现象发生在稳定太阳风和弱行星际磁场条件下,且无显著空间环境扰动事件发生时,离子的加速滞后于高能电子爆发,离子能量的变化与高能电子通量的时间演化正相关,地球磁鞘内侧或边界层过渡区域是该类现象的高发区,离子能量增加时卫星表面电位大幅下降可达负几千伏.为了研究高能电子爆发与绕月卫星表面电位变化的关系及其对月球表面电位的影响,本文用电流平衡法建立绕月卫星和月球表面充电模型,并假设能量电子(2eV~2 MeV)满足幂律谱的分布,模拟急剧增加的能量电子对卫星和月球表面电位的影响.模拟结果表明,能量电子急剧增加使得绕月卫星和月球表面电位大幅下降;能量电子总流量1011 cm-2时,绕月卫星和月球表面充电电位可达负上千伏;月球充电到大的负电位的时间仅为卫星充电时间的1/10.鉴于高能电子急剧增加事件的高发生率(~125次/年),能量电子急剧增加使得绕月卫星表面电位大幅下降的发生率应大于实测等离子体离子加速现象的发生率(~25次/年).     

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.     

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.     

太阳宇宙线高能电子能谱的形成

提出了一个太阳脉冲和经变耀斑中高能太阳宇宙线电子能谱的形成模型，探讨了高能电子通过日冕捕获区的库仑损失、轫致辐射和同步辐射等物理过程，首次研究了日冕等离子体尾场对太阳宇宙线电子的加速及其能谱的形成．所得结果和观测谱能很好地符合，从而较合理地阐明了脉冲耀斑和经变耀斑两类太阳宇宙线高能电子谱的结构．     

亚暴膨胀相近磁尾位形不稳定性模型Ⅰ．近磁尾位形不稳定性

用单流体和双流体ＭＨＤ近似，研究了近磁尾位形不稳定性（ＮＥＴＣ）．分析表明，ＮＥＴＣ可能存在两种漂移不稳定情况Ｃ１和Ｃ２与卫星观测资料对比显示，Ｃ２较容易在亚暴膨胀相前夕出现，它可以解释亚暴膨胀相期间磁场和等离子体扰动的特征周期、尾向传播速度、磁场扰动和等离子体压强扰动之间的位相关系，场向电流的周期性结构，西向涌浪头部的电子沉降和极光隆起等观测特性和现象．薄电流片的极端情况（Ｒｃ≈ｒｉ）不在本文的讨论范围之内．     

亚暴膨胀相近磁尾位形不稳定性模型Ⅰ．近磁尾位形不稳定性

用单流体和双流体ＭＨＤ近似，研究了近磁尾位形不稳定性（ＮＥＴＣ）．分析表明，ＮＥＴＣ可能存在两种漂移不稳定情况Ｃ１和Ｃ２与卫星观测资料对比显示，Ｃ２较容易在亚暴膨胀相前夕出现，它可以解释亚暴膨胀相期间磁场和等离子体扰动的特征周期、尾向传播速度、磁场扰动和等离子体压强扰动之间的位相关系，场向电流的周期性结构，西向涌浪头部的电子沉降和极光隆起等观测特性和现象．薄电流片的极端情况（Ｒｃ≈ｒｉ）不在本文的讨论范围之内．     

亚暴膨胀相近磁尾位形不稳定性模型Ⅱ.中磁尾等离子体流与近磁尾亚暴活动的关系

在单流体MHD近似下，研究了有背景等离子体流存在时的近磁尾位形不稳定性．分析表明，等离子体地向流使两支漂移气球模DBM1和DBM2的不稳定增长更快．与卫星观测资料对比显示，诸多的观测观象与本模型的预言一致．这个结果对中磁尾磁场重联及高速等离子体流与亚暴膨胀相在近地触发之间的关系给出了新的解释．     

亚暴膨胀相近磁尾位形不稳定性模型Ⅱ.中磁尾等离子体流与近磁尾亚暴活动的关系

在单流体MHD近似下，研究了有背景等离子体流存在时的近磁尾位形不稳定性．分析表明，等离子体地向流使两支漂移气球模DBM1和DBM2的不稳定增长更快．与卫星观测资料对比显示，诸多的观测观象与本模型的预言一致．这个结果对中磁尾磁场重联及高速等离子体流与亚暴膨胀相在近地触发之间的关系给出了新的解释．     

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 .     

太阳风动量涨落激发磁层亚暴的机制

本文将太阳风涨落传输能量产生磁层亚暴的机制推广到无碰撞等离子体过程。太阳风的涨落在磁层顶激发压缩阿尔文波,并在磁尾的无碰撞等离子体中传播。尾瓣中满足条件β?1,而等离子体片中β≥1,其中β为等离子体压力与磁压之比。这样,快磁声波在尾瓣中几乎不衰减,而在等离子体片中很快衰减,将波动能量耗散在等离子体片中使等离子体加热或者粒子加速。这种机制还表明,磁尾等离子体片中的高能粒子可以由太阳风涨落动能耗散而被加速,不一定是直接源于太阳。