南大西洋异常区内辐射带高能质子辐射环境长期变化的研究

完善和发展了绝热带电粒子漂移壳追踪方法(DSTM),应用该方法进一步研究了内辐射带低高度高能质子辐射环境的长期变化,并与卫星观测做了比较.研究表明,在过去的30年里SAA区1000 km高度,高能质子通量显著增强,SAA区质子通量的中心区域显著西移和扩大,理论预测结果与卫星的观测事实相符合.高能质子寿命的计算结果证明了DSTM是估算内辐射带高能质辐射环境长期变化的合理方法.     

等离子体片离子与太阳风及地磁条件的关联研究

本文根据搭载于Cluster卫星的CIS/CODIF和RAPID仪器的观测数据,统计研究了等离子体片中的H⁺、O⁺离子在磁暴期间的时间变化特性,及其对太阳风条件的响应.观测结果表明：(1) 磁暴开始前,O⁺离子（0~40 keV）数密度保持在较低水平.随着磁暴的发展,O⁺数密度缓慢上升,其峰值出现在D_st极小值附近;H⁺离子(0~40 keV)数密度在磁暴开始之前的较短时间迅速增加并达到峰值,在磁暴开始之后迅速降低,并在整个主相和恢复相期间保持在相对较低水平.更高能量的离子则在磁暴开始后迅速增多,并在低能O⁺离子达到峰值之前达到峰值.因此我们推测磁暴初期从等离子体片注入环电流的主要是H⁺离子,主相后期O⁺离子可能扮演更为重要的角色.(2)在地磁活动时期,太阳风密度和动压强与等离子体片中的H⁺、O⁺数密度存在一定相关性.等离子体片中的H⁺离子对北向IMF B_z较为敏感,而IMF B_z南向条件下更有利于太阳风参数对等离子体片中O⁺数密度的影响.在地磁活动平静期,太阳风条件对等离子体片中的离子没有明显影响.     

2001年1月26日高纬磁层顶通量管事件的观测研究

2001年1月26日11:10～11:40UT, ClusterⅡ卫星簇位于午后高纬磁鞘边界层和磁鞘区,此 时行星际磁场Bz为南向. 本文对在此期间观测到的多次磁通量管事件作了详细的研究 ,获得一系列的新发现：（1）高纬磁鞘边界层磁通量管的出现具有准周期性,周期约为78s ,比目前已知的磁层顶向阳面FTE的平均周期（8～11min）小得多. （2）这些通量管都具有 强的核心磁场;其主轴多数在磁场最小变化方向,少数在中间变化方向,有些无法用PAA判 定其方向（需要用电流管PAA确定）,这与卫星穿越通量管的相对路径有关. （3）每个事件 都存在很好的HT参考系,在HT参考系中这些通量管是准定常态结构;所有通量管都沿磁层顶 表面运动,速度方向大体相同,都来自晨侧下方. 通量管的径向尺度为1～2RE, 与通 常的FTE通量管相当. （4）起源于磁层的强能离子大体上沿着管轴方向由磁层向磁鞘运动; 起源于太阳风的热等离子体沿管轴向磁层传输. 通量管为太阳风等离子体向磁层输运和磁层 粒子向行星际空间逃逸提供了通道. （5）每个通量管事件都伴随有晨昏电场的反转,该电 场为对流电场.     

中近磁尾等离子体片统计特性研究

本文使用Cluster-C1卫星的CIS仪器和FGM仪器测量得到的质子通量数据和计算的β数据,判断Cluster卫星在地球磁尾不同位置位于等离子体片内的概率.使用2001—2004年7—11月的Cluster-C1数据,分别在行星际磁场南向和北向时,得出X-10RE区域内卫星位于等离子体片的概率在Y-Dz平面的分布图(Dz是卫星到中性片的距离).通过对比行星际磁场南向和北向时的卫星位于等离子体片的概率的分布图,我们发现等离子体片在行星际磁场南向时比在行星际磁场北向时要薄,并且这个效应在磁尾晨昏两侧比在午夜附近明显,同时我们还发现等离子体片在晨侧比在昏侧厚.     

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。     

地磁活动与太阳活动对环电流离子成分与位置的影响

根据CRRES卫星上MICS离子成分探测器的观测资料以及前人有关AMPTE卫星的观测数据，研究了地磁活动和太阳活动性对环电流成分以及各种环电流离子的最大通量位置的影响. 观测表明相对于地磁平静时期，在地磁活动的活跃时期，环电流中O+、He++和He+离子的数密度和能量密度占环电流总数密度和总能量密度的份额增加，相反H+离子所占的比例却明显减少. 太阳活动极大年时环电流中H+离子丰度比极小年时低，而O+和He++离子的丰度却比太阳活动极小年时高. 卫星数据观测还表明，在地球磁暴期间，环电流中O+离子和He+离子的最大通量位置会随着地磁的活动径向移动，平均来看太阳活动极大年的能量粒子最大数密度位置距离地球比极小年时约小0.5RE （RE 为地球半径）.     

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.     

2001年1月26日高纬磁层顶通量管事件的观测研究--空间电流密度计算及分析

讨论了三种根据Cluster Ⅱ四颗卫星的磁场测量数据计算空间电流的方法及其误差,论证了这几种方法的内在一致性,并得到了完全相同的计算结果. 进而依据Cluster Ⅱ 磁场探测资料,计算了2001年1月26日多重磁通量管和FTE事件中高纬磁层顶边界层和磁鞘区的电流密度. 结果表明,磁通量管内电流密度较大,可达到约10-8A/m2;计算精度较高,结果可靠. 本文还应用最小方差分析法（MVA）,发现电流方向与通量管的轴向基本一致;论证了电流MVA分析在研究通量管性质时的作用,同时提出了电流管的概念.     

大磁暴中环电流离子成分的变化及其与磁暴演化的关系

利用CRRES/MICS的观测数据，研究了磁暴期间内磁层离子成分的变化.对1991年两个典型磁暴和12个大磁暴的分析表明，组成暴时环电流的离子可以分成两组，一组由O⁺、低能H⁺和He⁺组成，起源于电离层(IOP)；另一组为高能H⁺和He⁺⁺，主要来自太阳风(SOP).宁静时环电流主要成分为SOP，大磁暴主相极大时环电流的主要成分是IOP.大磁暴期间离子可被注入到很低的高度(L=3-4).IOP对环电流的贡献随磁暴强度增大而增加，在大磁暴主相极大时可达80%(数密度).IOP中O⁺的快速增减是导致Dst指数在磁暴主相期间快速下降和恢复相中快速增长的主要原因.小磁暴中(D_st＞-50nT)O⁺对环电流的贡献可以忽略不计.     

南大西洋地磁异常区的辐射环境与低轨卫星粒子辐射通量计算

利用国际地磁参考场模型ＩＧＲＦ９０,分析了南大西洋异常（ＳＡＡ）区磁场变化的特征,计算了低轨卫星轨道积分粒子辐射通量及其随年代的变化。结果表明,在ＳＡＡ上空,同一高度上的磁场随时间的推移而减弱,粒子辐射通量随时间的推移而增加．对不同高度的卫星,轨道积分粒子辐射通量随年代的变化相差很大,低轨（＜１０００ｋｍ）卫星的变化明显,而＞１０００ｋｍ时变化很小．粒子辐射通量随时间变化的主要原因是ＳＡＡ区的磁壳结构畸变和“移动”,因此,计算不同年代的轨道粒子辐射通量,应使用同年代的磁场模型。近期卫星测量结果表明,这一论断与观测相符。本文提供的计算轨道积分粒子通量方法,结果的可靠性较高,对卫星的合理设计,载人飞船的辐射防护以及卫星的正常运行都有重要参考价值。