地球磁层顶的漂移动力学Alfvn波不稳定性及其反常输运效应

本文用回旋动力学研究了磁层顶等离子体低频漂移动力学不稳定性.在β≥1附近发现两支不稳定的漂移动力学Alfvèn模(DKA).它们可在▽T(∥-▽n)(?)0时激发,速度剪切提供主要的自由能源.两支DKA均具有非零的(δE_y,δE_∥)和(δB_x,δB_∥).在湍动的非线性饱和状态下,δB_x的起伏可导致很强的反常输运,当|δB_x|=1nT时,D_⊥可达到10~9m~2/s的数量级.因此,DKA可能在太阳风-磁层耦合过程中起重要作用.     

磁暴期间太阳风-磁层-电离层间的耦合过程

本文用行星际和地面磁场以及电离层资料,讨论了三次磁暴期间高、中纬电离层电场对太阳风和磁层内变化的响应。 分析表明,当IMF的B_x分量由北向转为南向时,太阳风驱动的磁层对流变化能直接反映出高纬电离层电位的变化。但持续南向的B_x再次增强时,太阳风输入的主要能量耗损于内磁层过程;电离层的响应表现为一个弛豫过程。当B_x由南转北时,环电流的消失对电离层的作用同样有弛豫的特点。此时,驱动电位已撤消,环电流是维持电离层电位的唯一外源。 本文用电路类比及简单模式法结论对上述几种实测情况进行了讨论。     

磁层顶的漂移动力学磁声-Alfvén模不稳定性

本文得出了高β等离子体中在速度梯度、密度梯度、磁场梯度和温度梯度联合作用下的一种新的不稳定模:漂移动力学磁声-Alfvèn模,导出了线性色散关系,研究了模的特性并讨论了高β和各种梯度项对该模的影响,估算了垂直扩散系数。计算表明,在地球磁层顶边界区中漂移动力学磁声-Alfvèn模总是不稳定的。随着β增加,增长率起初增大,而后减小,这是此模的一个显著特性;速度梯度是驱动此模的重要自由能源;当扰动磁场为1nT时,垂直扩散系数可达～10⁹m²/s。从而说明漂移动力学磁声-Alfvèn模不稳定性产生的反常输运,有可能维持准定常的磁层对流,并且在边界层的形成中起重要作用。     

磁层亚暴与磁层暴（Ⅱ）:太阳风参数对Dst的影响机制研究

为了研究地磁活动指数D_st受太阳风参数影响,包括行星际磁场（IMF）南向分量B_st、太阳风速度V_?和太阳风-磁层发电机电动势U调制的机制,应用太阳风-磁层-电离层输入-输出[I（t）-O（t）]电网络模型,对磁层亚暴与磁层暴过程中,B_z（t）-D_st、V-a（t）-D_st和U（t）-D_st的激励-响应特性进行模拟。研究表明,B_z是形成亚暴与磁层暴的前提条件,V_st是形成亚暴与磁层暴的充分条件,二者统一于电动势U_st研究结果与观测结果一致。     

北京重力地球潮参数和重力仪力学特性的测定

根据北京白家疃测站８台ＧＥＯ潮汐重力仪对比观测的资料，采用标准线性体流变模型模拟重力仪及记录系统的力学特性，计算各台仪器的格值改正系数、主潮汐波的振幅衰减系数和相位滞后；确定北京重力地球潮的振幅因子δ和相让滞后为δ（Ｍ_２）＝１．１７８４，δ（Ｏ_１）＝１．１８０４，δ（Ｍ_２）／δ（Ｏ_１）＝０．９９８３，（Ｍ_２）＝０．０７°，（Ｏ_１）＝０．１０°．     

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.     

匀变速扩展的圆盘形断层的远场辐射理论（一）

本文研究了由匀变速扩展的圆盘形断层所辐射的远场位移。通过Jacobi椭圆函数和Legendre范式的第一、第二、第三种非完全椭圆积分等特殊函数,给出了该问题的普遍形式的闭合解析解。 本文所讨论的问题是普遍情形。与已往工作比较具有以下不同之处: 1.设破裂速度为V（t） V（t）=V₀+at （a=常数）其中V₀是初始破裂速度,V₀=0即初速度为零的特殊情形;a是破裂加速度;a>0、a=0及a<0分别对应于加速破裂、匀速破裂及减速破裂的特殊情形。 2.破裂是从半径R₁开始的。即可以有初始裂纹存在。从而扩展的瞬时半径ζ（t）为 ζ（t）=R₁+V₀t+1/2at².R₁=0,相应于从中心开始扩展的情形。 3.震源函数假设具有下述形式: S（ζ,t）=D₀[1-（ζ/R₂）ⁿ]g（t）. （n=0,1,2,……）其中,D₀是圆盘中心最终错距,R₂是最终破裂半径,g（t）是震源时间函数。n=0时得到震源空间函数为均匀分布情形。n=2时得到该裂纹问题静态解的一级近似的情形。 最后,作为例子,给出了整个破裂过程（起始-加速-匀速-减速-停止）所引起的远场位移公式。 本文第一部分只讨论R₁=0,n=0的情形,其他内容将在第二部分中讨论。     

地球弓激波的旋转非对称性

通过对太阳风-磁层-电离层系统的全球MHD模拟,研究地球弓激波相对日地连线的旋转非对称性．模拟限于太阳风速度沿日地连线、地球磁偶极矩和行星际磁场（IMF）与日地连线垂直的简单情况．模拟结果表明,即便对于IMF强度为零的情况,弓激波相对日地连线也不具备旋转对称性质：终端面（晨昏子午面）及其向阳侧的弓激波截线的东西宽度大于南北宽度（约9%~11％）,终端面尾侧的弓激波截线东西宽度小于南北宽度（约8％）．在存在IMF的情况下,弓激波的位形同时受到磁层顶的形状和快磁声波速度各向异性的影响．磁层顶向外扩张并沿IMF方向拉伸,且其扩张和拉伸程度随IMF由北转南而增强．在磁鞘中,垂直于磁场方向的快磁声波速度高于平行方向．因此,磁层顶拉伸方向与快磁声波速度最大方向垂直,它们对弓激波位置的效应恰好相反;弓激波的最终形状取决于何种效应占据主导地位．对于终端面尾侧,快磁声波速度的各向异性起主导作用,弓激波截线沿IMF垂直方向的宽度大于平行方向．对于终端面及其向阳侧,弓激波截线的形状与IMF取向有关：在准北向或晨昏向IMF情况下,弓激波截线沿IMF垂直方向的宽度仍大于平行方向;在准南向IMF情况下,弓激波截线沿IMF垂直方向的宽度小于平行方向的．鉴于弓激波形状同IMF取向之间的密切关系,我们提议以IMF为基准方向,提取弓激波截线的平行半宽度R_b∥和垂直半宽度R_b⊥作为尺度参数．这些尺度参数和通常引入的弓激波截线的东西半宽度y_b和南北半宽度z_b相比,更为合理地表征了弓激波的几何性质．模拟结果表明,在终端面上,y_b/z_b和R_b∥/R_b⊥在IMF各向同性取向下的统计平均值均低于1,与观测得到的结论一致.     

中低纬度电离层对太阳风状态的响应

本文讨论了行星际磁场B₂分量变化时内磁层和中低纬度电离层的响应.指出B₂变化引起的磁层大尺度对流电场的变化在一定条件下有可能透入内磁层,并沿磁力线映射到中低纬度电离层,在那里产生电场和电流体系,从而使S_q电流体系发生畸变,并在地面磁场中反映出来.数值计算表明,当△B₂<0时,S_q电流体系的焦点向东和向高纬移动,地面磁场会观测到数伽马的变化.这就为中低纬地磁观测诊断磁层和太阳风状态提供了一种可能性.此外,本文还用上述物理过程解释了赤道地区一些高空物理现象,如B₂倒转时电离层漂移速度的变化,赤道磁场异常以及赤道q型偶现E层的消失等等.     

速度随深度线性增长时反射剖面图的繪制方法

在很多地区地震波传播的真速度与深度的关系符合于线性规律V=V₀（1+kz）,式中V₀为地面速度,z为深度,k为常数.这时根据t₀值可求得等时线的圆心深度z₀及半径r:z₀1/k（ch（1/2）V₀kt₀-1）,（1）R=1/ksh1/2V₀kt₀.根据t₀值和其附近时距曲线斜率△t/l可计算出反射面倾角φ.     

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。     

关于动力Alfven波的色散与朗道阻尼

根据完全动力论理论,证明了可由简化漂移动力论方程求得动力Ａｌｆｖｅｎ波色散方程,即横向用磁流体力学方程,纵向用Ｖｌａｓｏｖ方程,在初级近似下由此推导出适合于日冕和太阳风的色散关系和Ｌａｎｄａｕ阻尼,得到在性质上与ＭＨＤ　Ａｌｆｖｅｎ波完全不同的动力Ａｌｆｖｅｎ波,太阳风中Ａｌｆｖｅｎ湍流很容易由动力Ａｌｆｖｅｎ波演化而来。提出由动力Ａｌｆｒｅｎ波构筑太阳风高速流模型将更符合观测结果。     

等离子体片边界层内静电离子束流-密度漂移不稳定性

本文研究了地球磁尾等离子体片边界层内由离子束流和等离子体密度梯度联合作用产生的静电不稳定性.模型等离子体由向尾流动的冷离子束流、向地球流动的暖离子束流和背景暖电子组成,等离子体密度是非均匀的,等离子体β（热压强与磁压强之比值）很小,电子等离子体频率与电子退旋频率之比。ω_e/Ω_e》1.结果表明,斜传播的静电快、慢离子束流-密度漂移模能够被激发。     

磁层顶边界层剪切流引起的MHD波模转化

采用非本征模方法（non modal analysis）研究了磁层顶边界层中剪切流导致的MHD波模转化及其与背景流场的能量交换过程.发现在分别代表磁层顶内、外边界层及过渡区的均匀剪切流场中,初始设定的Alfvén波扰动可部分转化为快、慢磁声波.而且,在不同区域,根据等离子体参数的不同,发生的波模转化过程也不相同.在外边界,Alfvén波主要转化为慢磁声波;在内边界,Alfvén波则主要转化为快磁声波;而在二者之间的过渡区中,Alfvén波可同时转化为两种类型的磁声波.我们还发现,含有较强快波分量的扰动可从磁层顶剪切流场中获得能量而得到线性放大.上述物理过程可能对解释磁鞘至磁层的能量及动量异常输运现象有所帮助.     

太阳风中Alfven湍流的起源

由动力Alfven波沿磁场方向传播的扰动非线性方程，用量纲分析法导出太阳风中Alfven湍流谱. 太阳风中观测到的湍流谱恰是由方程得到谱的特例. 我们提出太阳风中Alfven湍流是一支反向串级的湍流，正向串级的一支湍流已经用于日冕而耗散掉. 理论上提出这支反向的Alfven湍流产生机制是由于动力Alfven波的非线性色散造成的调制不稳定性驱动的.     

磁层顶的涡旋诱发重联和单X线重联

用二维MHD数值模拟研究了地球磁层顶的涡旋重联和单X线重联,并将两者作了比较。涡旋重联和单X线重联各在Alfvèn马赫数M_Λ大于和小于0.5时出现于向阳面磁层顶。前者所产生的磁岛与涡旋同心重叠;后者磁力线重联仅产生X点,而不闭合形成磁岛,涡旋分布于X点两侧。在涡旋重联的自组织过程中,互螺旋度等近似守恒决定其渐近态的拓扑结构。最后,讨论了这两种重联对通量传输事件所起的不同作用。     

Variations in plasma parameters and magnetic field upon magnetopause crossing at the main phase maximum of the magnetic storm of November 14, 2012

Measurements of the plasma parameters and magnetic field upon magnetopause crossings by the THEMIS-А satellite during the large magnetic storm of November 14, 2012, are analyzed. The main specific feature of this event is the magnetopause crossing at the time of the magnetic-storm maximum. An imbalance of total pressure on the magnetopause reaching up to ~40% has been observed. An abrupt turn of the magnetic field immediately on the magnetopause is recorded. Inside the magnetosphere, plasma motions have been observed, both along the magnetopause and inward, at velocities of ~100–300 km/s. Variations in geomagnetic parameters are analyzed before and after the crossing. It is shown that specific features of the observed crossing may be associated with a sharp change in the magnetospheric current systems during the magnetospheric substorm.     

Alfven波在低纬电离层中的传播研究

Alfven波在低纬地区电离层的传播有其特殊性,一方面,低纬地区同样存在Alfven速度梯度的巨大变化,导致电离层Alfven谐振器(Ionospheric Alfven resonator, IAR)的形成;另一方面,由于在低纬地区磁倾角很小,所以剪切Alfven波在传播的过程中纬度方向跨度很大,不同纬度电离层参数将共同对其产生影响;并且,由于电离层水平分层,故磁力线与电离层不正交.本文选取双流体力学模型,在忽略场向电场的条件下,利用非正交坐标系,结合IRI07模型与MSISE00模型模拟低纬地区Alfven波的传播,得到其反射及耦合特性.结果表明,低纬地区同样存在电离层Alfven谐振现象,由耦合产生的压缩模有向磁赤道方向传播的趋势,夜间电离层状态相对于白天更适合IAR的形成,谐振频率沿磁力线L值增大单调递增.