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（δEy,δE∥）和（δBx,δB∥）.在湍动的非线性饱和状态下,δBx的起伏可导致很强的反常输运,当|δBx|=1nT时,D⊥可达到109m2/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.     

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。     

地球磁层顶K-H不稳定性与撕裂模的耦合及涡旋撕裂模不稳定性

本文用二维MHD数值模拟研究了地球磁层顶同时存在速度剪切和磁场剪切时Kelvin-Helmholtz不稳定性（K-H）和撕裂模不稳定性（TM）的耦合过程。在雷诺数和磁雷诺数确定时,Alfvèn马赫数值（MA）对耦合特性起决定性作用。在本文选取的参数条件下,若MAAA≥1.4,K-H引起的涡旋运动起控制作用,导致一种新的不稳定性产生。该不稳定性称作涡旋撕裂模不稳定性。其饱和后长时间渐近状态由一个大尺度的流体涡旋和同心磁岛组成。在地球磁层顶通量传输事件（FTEs）中它可能起着重要作用。     

地球磁层顶K-H不稳定性与撕裂模的耦合及涡旋撕裂模不稳定性

本文用二维MHD数值模拟研究了地球磁层顶同时存在速度剪切和磁场剪切时Kelvin-Helmholtz不稳定性（K-H）和撕裂模不稳定性（TM）的耦合过程。在雷诺数和磁雷诺数确定时,Alfvèn马赫数值（M_A）对耦合特性起决定性作用。在本文选取的参数条件下,若M_A<0.4,自发TM占主导地位;当0.4≤M_A<1.4时,TM受到K-H明显调制;如果M_A≥1.4,K-H引起的涡旋运动起控制作用,导致一种新的不稳定性产生。该不稳定性称作涡旋撕裂模不稳定性。其饱和后长时间渐近状态由一个大尺度的流体涡旋和同心磁岛组成。在地球磁层顶通量传输事件（FTEs）中它可能起着重要作用。     

低纬磁层边界区的可压缩性Kelvin-Helmholtz不稳定波

本文用“三层模式”探讨了低纬磁层边界区的可压缩Kelvin-Helmholtz不稳定波的特性。低纬边界层的存在降低了不稳定的阈值,几乎整个低纬边界区都是不稳定的。从内边界向磁层传输的能流和动量流都比双层模式增大,扰动磁场是椭圆偏振的。还讨论了低纬边界区该不稳定性的动力学效应及其与P_c4-5脉动的联系。     

电离层电导对地球磁层顶和舷激波尺度的影响

本文在如下假定下分析电离层电导对地球磁层顶和舷激波尺度的影响：（1）对电离层采用球壳近似,Pedersen电导ΣP均匀,Hall电导为零;（2）地磁偶极矩处于正南方向,行星际磁场（IMF）只有南向分量（BzBz和ΣP,通过三维全球MHD模拟获得系统的准定态.结果表明,在大约1～5 S范围内,ΣP值显著影响磁层顶和舷激波的尺度,而在该范围之外则几乎没有影响.随着ΣP的增加,磁层顶和舷激波整体向外扩张,前者的扩张程度低于后者,以至磁鞘区的范围扩大.磁层顶的侧翼点的位置随ΣP的变化与Bz的幅度有关：在弱南向IMF情况下磁层顶的侧翼点随ΣP的增加向内移动,而在强南向IMF情况下则向外移动.上述结果表明,在构建磁层顶和舷激波的经验模型时,有必要计入电离层电导的影响.     

磁层顶压缩事件的磁场分析

向日面磁层顶在平静太阳风条件下,处于10RE（RE为地球半径）左右．但在异常的太阳风条件下,即南向行星际磁场很强和（或）太阳风的动压很大时,会被压缩,甚至到达同步轨道附近．集中分析2001年4月11日的磁暴事件,研究当磁层顶发生强烈压缩以后。在地球空间和地面上产生的磁场影响．磁层顶位形选取Shue（1998）模型计算．当把计算结果与GOESl0卫星的观测数据对比时发现：磁层顶在强的太阳风条件下的确会被压缩到同步轨道以内．Shue（1998）模型的预测基本正确,通常的漏报可能是由于预报的位置误差所致．实际磁层顶电流片的位置和强度与我们假设的理想磁层顶间断面计算结果基本吻合．在分析大磁暴过程时,磁层顶压缩使磁层顶电流对于中低纬度地磁场扰动有突出的贡献,在2001年4月事件中,这个贡献可以大于50nT,占主相的1／6左右．这一贡献可以使Dst指数产生相应的误差．     

土星磁层等离子体径向输运的数值模拟

本文建立了一个包含离心力效应的自洽稳态土星磁层模型,并且用等离子体细丝模型对土星磁层等离子体径向输运进行了数值模拟.模拟结果表明,Dione（土卫四）附近的等离子体可能因为发生离心交换不稳定性（Centrifugal Interchange Instability）而被输运到离土星更远的地方.这种输运现象的发生是由离心力主导的,等离子体的黏滞效应和能量转移对输运过程的影响非常小（几乎可以忽略不计）,但土星电离层电导率对输运过程有重要影响,电导率越低,径向输运过程越快,反之,高电导率在一定程度上会阻碍输运的进行.在土星电离层电导率σ=2 S时,Dione（距离土星6.3R_S, R_S为土星半径）附近的等离子体在5.52个小时中被输运到距离土星10R_S的地方.本文的模拟结果还表明,密度受到扰动的等离子体是不稳定的,如果洛仑兹力和等离子体热压强梯度不能与离心力平衡,径向输运就会发生.密度大的等离子体在向外输运过程中会绝热膨胀而温度降低,密度小的等离子体则在注入磁层过程中因为绝热压缩而温度升高.     

地球磁层顶湍动重联的数值模拟

用二维磁流体力学数值模拟研究了磁层顶的磁场湍动重联．提出了一个新的磁场湍动重联模型．数值模拟表明，如果磁层顶是一个开放系统并同时存在磁场剪切和流场剪切，当雷诺数和磁雷诺数超过某临界数值时，磁场重联具有很强的湍动特性，可产生许多不同尺度的磁岛和涡旋结构．随着雷诺数和磁雷诺数的增大和减小，大尺度结构能破碎成中小尺度结构，小尺度结构也能合并成大中尺度结构．湍动重联是涡旋诱发重联在一定条件下的过渡．依据本文的模拟结果，我们预言：磁层预可发生准定常重联、瞬时局地重联和湍动重联等多种重联过程；大中小不同尺度的结构都可以存在于磁层顶；湍动重联及其所产生的中小尺度结构在太阳风－磁层的能量、动量和质量耦合过程中可起重要作用．     

地球磁层顶湍动重联的数值模拟

用二维磁流体力学数值模拟研究了磁层顶的磁场湍动重联．提出了一个新的磁场湍动重联模型．数值模拟表明,如果磁层顶是一个开放系统并同时存在磁场剪切和流场剪切,当雷诺数和磁雷诺数超过某临界数值时,磁场重联具有很强的湍动特性,可产生许多不同尺度的磁岛和涡旋结构．随着雷诺数和磁雷诺数的增大和减小,大尺度结构能破碎成中小尺度结构,小尺度结构也能合并成大中尺度结构．湍动重联是涡旋诱发重联在一定条件下的过渡．依据本文的模拟结果,我们预言：磁层预可发生准定常重联、瞬时局地重联和湍动重联等多种重联过程;大中小不同尺度的结构都可以存在于磁层顶;湍动重联及其所产生的中小尺度结构在太阳风－磁层的能量、动量和质量耦合过程中可起重要作用．     

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。     

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。