阿尔芬波总磁场存在漂移趋势时磁通门磁强计在轨标定的优化方法

高精度的磁场测量对深空探测具有重要意义,然而卫星上磁通门磁强计的磁补偿值会随着时间缓慢变化,需要进行在轨标定.近期,一种新的在轨标定方法被提出,即Wang-Pan方法.该方法发现阿尔芬波动存在一个线性度高的最优补偿曲线,利用多个波动的最优补偿曲线可计算出磁强计的磁补偿.然而,该方法没有考虑所选波动事件的总磁场存在漂移趋...     

阿尔芬波动特征对卫星磁力仪零位标定的影响

磁通门磁力仪的零位偏移量在卫星轨道上会因诸多因素而发生改变.为此,基于剪切阿尔芬波动不改变总磁场强度这一特征的Davis-Smith方法被提出用于计算磁力仪的零位补偿.实际上,行星际空间中没有纯粹的阿尔芬波动.本文采用数值模拟分析了存在小的压缩波动情况下,阿尔芬波动的幅度、周期和相位以及数据窗口时间长度等对Davis-Smith方法计算零位补偿的影响.我们发现,只有当阿尔芬波动的周期与压缩波动周期相同时,阿尔芬波动的性质会对零位补偿的计算产生不可忽视的误差.阿尔芬波动的幅度越大,零位补偿的误差越小.磁场各分量零位补偿的误差大小还会受到阿尔芬波动初始相位的影响.此外,数据窗口时间长度越长,则零位补偿误差趋于减小至真实值.     

基于Davis-Smith方法计算卫星磁强计零位补偿的误差特征研究

卫星所携带的磁通门磁强计会随时间发生零位漂移,因此需要对其进行补偿.基于行星际磁场的剪切阿尔芬波动特性,利用Davis-Smith方法可计算磁强计的零位磁场.本文利用数值模拟,分析了总磁场幅度B_T及压缩波动对Davis-Smith方法所产生零位补偿的误差特征.我们发现,B_T越大,零位补偿误差越大;且当压缩波动频率和剪切波动频率不同时,磁场各分量的零位补偿之间的比值与对应背景磁场的比值近似相等;压缩波动的幅度越小,零位补偿的误差趋于更小;此外,压缩波动的频率和初始相位等也会影响零位补偿的误差.这些误差特征可为提高零位补偿的可靠性提供重要的理论依据.     

运用三维运动学模型对行星际磁场南北分量的预测

提出一种可能产生行星际磁场南北分量扰动的物理机制,并将此物理机制运用于三维运动学模型,对原模型作了改进. 使用改进后的模型模拟研究了1997年5月12日06:30UT爆发的晕状(halo)日冕物质抛射(CME)事件对行星际磁场和等离子体的扰动,以及1978-1981年间17个与CME有关的行星际扰动事件. 在17个事件中有14个事件可准确预测出行星际磁场南北分量的方向,准确率为82%. 结果表明,模型计算出的行星际磁场南北分量的扰动方向与观测的方向是基本一致的.     

时变行星际太阳风模拟及其结果评估

背景太阳风对于地球附近的空间环境有着重要的影响,三维磁流体力学太阳风模型是背景太阳风研究和预报的重要工具.通过太阳光球磁场数据驱动的边界条件,我们发展了一个时变的行星际三维磁流体力学太阳风模型.使用这个模型,我们模拟了2008年全年的行星际背景太阳风,分析了该年太阳风结构全球特征的演化和行星际局地观测与日冕结构间的联系.实现了一套太阳风连续参数和特征结构模拟质量的定量评估方法.对2008年模拟结果的评估表明,模型较好地重现了背景太阳风的大尺度特征.模拟与观测速度间的相关性系数达到了0.6以上,行星际磁场强度与观测吻合得较好,捕获了全部的行星际磁场极性反转和82.76%的流相互作用区,行星际磁场极性反转的误报率仅为6.67%,流相互作用区的误报率仅为11.11%,两种结构的到达时间误差在1天左右.同时,通过综合分析评估结果,我们明确了高速流结构、内边界磁场分布等模型在进一步改进中需要重点注意的问题.     

用三维运动学模式研究太阳暗条消失与行星际扰动

本文用19个行星际扰动事件为样本,采用三维运动学模式研究暗条消失事件（简称FD事件）与行星际瞬变扰动间的关系．太阳上的扰动源取行星际扰动前2-5d以内的所有FD事件,用势场模式计算得到的源表面磁场为背景,模拟每个扰动在行星际中的传播及其相互作用过程,观察扰动到达地球的时间和扰动大小．从模拟的结果来看,FD事件与行星际扰动事件有较好的对应关系,说明FD事件是行星际瞬变事件的一类重要的太阳源．19个事件中有2个没有对应的FD事件,5个模拟结果与观测结果相差较大,其余12个模拟结果与实际观测符合很好．这与过去这方面的工作有所不同,我们具体模拟了每个扰动事件的传播过程,同时考虑了扰动间的相互作用,包括扰动与共转流之间的相互作用,为太阳-行星际-地磁链天气过程的预报奠定了基础．     

日面方位磁场扰动和行星际磁场螺旋结构

文采用球坐标下2.5维理想MHD模型,对日球子午面内方位磁场扰动的传播进行数值模拟,重点分析它对行星际磁场螺旋角的影响. 本文认为,观测到的行星际磁场螺旋角大于Parker模型的预言值,是太阳表面不断向行星际发出同向方位磁场扰动的结果;太阳较差自转在太阳内部产生的方位磁场为这类扰动提供了源头. 模拟结果表明,采用持续时间等于周期的十分之一、扰动幅度为103nT量级的正向方位磁场扰动,就可使1 AU处行星际磁场的螺旋角增加2°左右,与有关观测结果相符. 模拟结果还表明,上述方位磁场扰动对日球子午面内的太阳风特性和磁场位形的影响基本上可以忽略.     

太阳高能粒子(SEP)传播数值模拟中的太阳风背景场研究

太阳高能粒子(SEP)事件是一类重要的空间天气灾害性事件,如能准确预报SEP事件,人们便可以采取必要的防护措施,保障卫星、星载设备以及航天员的安全,尽可能地降低经济损失.因此,其数值预报研究在空间天气预报研究中占有很重要的地位.SEP事件中的高能粒子在不同的时间尺度内被耀斑过程或者CME驱动的激波加速,并且在被扰动后的行星际太阳风中传输,这些过程都紧紧依赖于太阳风背景场.因此获取更加接近物理真实的太阳风背景场是模拟SEP事件的重要部分,也是提高SEP物理模式的关键因素之一.我们目前的工作基于张明等发展的SEP在行星际空间传播的模型,尝试将Parker太阳风速度解及WIND飞船观测的磁场实时数据融入模型中,研究不同的太阳风速度以及真实磁场分布对SEP在行星际空间中传播的影响.通过求解聚焦传输方程,我们的模拟结果表明:(1)快太阳风条件下,绝热冷却效应项发挥了更大的作用,使粒子能量衰减的更快,而慢太阳风对粒子的通量变化没有显著影响;(2)加入观测的磁场数据时,粒子的全向通量剖面发生了比较明显的变化,具体表现在:通量峰值推迟到达、出现多峰结构、各向异性也发生一些改变.分析表明真实磁场的极性对粒子在行星际空间中传播有着重要的影响.     

磁暴主相多阶发展行星际起因的初步分析

本文利用1998～2006年与磁云有关的80起中强磁暴(Dst*≤-50 nT),对其主相期间不同发展阶数磁暴的行星际起因进行了统计分析.重点研究了鞘区磁场单独作用、磁云本体单独作用、鞘区与磁云共同作用以及其他复杂行星际结构在磁暴主相多阶发展中的相对重要性,并对导致磁暴主相增加一阶的行星际起因做了初步分析.统计结果表明...     

与磁扰K_P类型对应的行星际扰动的初步分析

本文分析了有太阳耀斑系统观测资料以来(1936年至1978年)太阳特大耀斑与磁扰的对应关系。并对不同K_p 类型所对应的行星际空间扰动结构进行了初步分析。讨论了决定磁扰形态特性的行星际传播因素。     

2003年11月20日磁暴主相期间磁鞘的观测研究

2003年11月20日磁暴主相期间,Cluster卫星正好处在黄昏侧的磁鞘附近.在主相期间磁鞘磁场Bz分量大约为-60 nT,这和ACE卫星观测值基本一致.同时,磁鞘中的离子速度分布对磁鞘中的磁场方向有很强的依赖性.行星际电场Ey在磁鞘中大约是50 mV/m.磁鞘中这些极端的磁场,电场和离子的流动驱动了迄今23个太阳活动周期中最大的磁暴,其Dst指数是-472 nT.Cluster卫星观测发现磁鞘中离子的数密度比较低,这可能是由磁云经过地球时太阳风的低密度造成的.磁鞘中能量范围为1～10 keV的H+,He+和He2+的数密度主要是由磁鞘中太阳风的数密度决定的.同时,对磁鞘中存在大量的1～10 keV氧离子进行了讨论.在极端的南向行星际磁场条件下,磁层顶受到很强的压缩.氧离子可以利用较大的回旋半径,在强压缩的磁层顶和磁鞘对流的共同影响下进入磁鞘.这也表明了磁层对极端行星际条件的一种响应.Cluster卫星在11月20日磁暴事件中的观测研究,对进一步全面认识大磁暴事件有很重要的作用.     

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.     

行星际激波的传播及其相应的地磁效应

基于 2.5 维理想磁流体力学（Magnetohydrodynamic,MHD）方程组分析了行星际激波在日球层子午面内的传播过程及其相应的地磁效应.日球层电流片（Heliospheric Current Sheet,HCS）-日球层等离子体片（Heliospheric Plasma Sheet,HPS）对于行星际激波的传播具有一定的阻碍作用.当行星际激波相对于HCS 倾斜传播时,相对于扰动源位于HCS 异侧的激波强度较同侧的明显减弱.局地激波面的法线（或形状）对通过激波阵面的磁力线发生偏转的程度和方向起决定性作用.沿激波传播方向其为准平行激波,磁场偏转程度较小,而其两侧部分则为斜激波,磁场偏转程度较大.位于HCS-HPS 位置处的波前形成凹槽,磁力线偏转程度明显加强.行星际激波对磁场的偏转效应是其驱动地磁暴的重要机制,而且地磁效应的强度与地球相对于HCS 的角距离Δθ_p有明显关系.数值模拟结果表明：任何行星际激波,Δθ_p=0°处均无法形成较大强度的地磁效应;沿HCS 传播的行星际激波,地磁效应最强的区域位于HCS 两侧;相对于HCS 倾斜传播的行星际激波,地磁效应最强的区域位于HCS 异侧.     

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。     

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.     

磁扰的Kp类型与耀斑活动

本文提出了一种简易而又具有物理基础的根据K_p指数分类磁扰的方法,它考虑了急始及主相这两种基本过程之间的关系。 对1936-1958年期间各类磁扰与耀斑活动的统计关系,进一步证实作者以前发现的太阳活动与磁扰关系之间的南北及东西不对称性,也有证据表明,磁扰特性与活动区磁场类型及太阳扰动产物在行星际空间的传播速度有关。 作者提出了一种用行星际激波在螺旋行星际磁场中各向异性传播的图象,试图解释上述统计结果。     

地球弓激波及其与行星际激波相互作用

给定地球轨道附近的行星际条件和地球弓激波的几何位形，本文分析向阳侧弓激波强度参数沿激波阵面的分布，以及行星际激波与弓激波的相互作用.对于弓激波阵面相对日地连线轴对称的情形，得到如下结论：（1）弓激波强度参数分布相对由行星际磁场和日地连线构成的基准面对称，各激波强度参数的最大值出现在基准面上.磁压比在垂直激波线一侧较大，而气压比在平行激波点一侧较大，导致总压比相对日地连线大致呈轴对称分布.（2）随着行星际磁场与日地连线夹角的增大，弓激波强度参数的最大值有所减小，且位置朝远离日下点方向偏移；但气压比和总压比的分布基本上不受影响.（3）行星际激波透过弓激波之后，切向磁场比更接近于1，但总磁场跳变幅度增大.（4）透过弓激波之后，行星际准垂直激波的总磁场比更接近于1，准平行激波的总磁场比则反之.     

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.     

低轨磁测卫星干扰磁场标定方法研究

为了提高空间磁场探测精度,磁测卫星一般将磁强计安装在长伸杆的顶端,同时通过整星磁洁净控制,来减小磁强计安装位置的磁场干扰量.针对低轨磁测卫星的特点,提出零磁场环境下卫星极弱干扰磁场的高精度测量方法,模拟在轨地磁场环境下卫星感应磁场的标定方法,以及磁力矩器剩磁不确定量的处理方法.通过以上方法对卫星本体产生的干扰磁场实施严格的标定和数据修正,可有效减小其影响,极大提升空间磁场探测精度.该方法已应用于电磁监测卫星,将整星的磁场干扰不确定量降低一个量级,达到优于0.3 nT的水平.     

极区电离层对流速度的浅层神经网络建模与分析

电离层对流是太阳风与地球磁场相互作用下驱动的磁层大尺度对流循环与对流电场在极区电离层的映射,与行星际磁场-地球磁场耦合系统息息相关.本文基于SuperDARN(Super Dual Aurora Radar Network)分布在北半球的23部高频相干散射雷达获取到的二维电离层对流速度对其进行建模研究.模型输入为行星际...