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。     

磁层顶边界区剪切流MHD不稳定性的非线性演化

本文利用MHD二维不可压模式,研究了地球磁层顶边界区剪切流引起的Kelvin-Helmholtz（K-H）不稳定性问题,得到了一个新的非线性微分方程组.理论和数值分析表明:该问题的非线性演化对初值非常敏感,而且在雷诺数和磁雷诺数给定的条件下,Alfven马赫数（M_A）对K-H不稳定性的非线性演化起决定性作用.这组方程蕴含几个吸引子,如不动点,极限环和奇异吸引子等,这体现了磁层顶非线性系统的复杂性.文中还发现背景磁场在磁层顶K-H不稳定性的非线性演化过程中起很重要的作用.     

地球磁层顶的无碰撞Kelvin-Helmholtz不稳定性（Ⅰ）

本文用无碰撞等离子体的CGL近似,讨论了地球磁层顶的Kelvin-Helmholtz（K-H）不稳定性问题。同可压缩MHD近似一样,CGL等离子体也存在下、上两个临界速度v_c和v_u。不稳定性仅当v_c<₀ cosα<_u时才能激发,v₀为磁鞘等离子体流速,α为v₀和切向波矢k_t间的夹角。在向阳面低纬区,时间增长率ε和空间增长率κ与可压缩MHD的相应值相近。当v₀ cosα≥v_u时,不稳定表面波转化为稳定的体波。各向异性对K-H不稳定性有显著影响。在近日点低纬处,若磁鞘各向异性参数S₂接近水龙带不稳定性的阈值,很小的v₀便能激发不稳定表面波。S₂低于极小值S₂^min时,不稳定性不可能产生。所谓Overstability现象是不存在的。     

磁层顶高纬边界层的瞬时重联过程

用二维可压缩的ＭＨＤ模型模拟研究了北半球背阳面磁层顶区的瞬时重联过程．结果表明，当行星际磁场（ＩＭＦ）具有南向Ｂｚ分量和背太阳向Ｂｘ分量时，ＩＭＦ与地磁场联接，磁层顶向外扩张，在等离子体幔区可形成流体旋涡，磁力线被扭曲，但不易形成磁涡旋；当ＩＭＦ具有北向Ｂｚ分量时，不论Ｂｘ分量是背向太阳或指向太阳，都可发生瞬时重联，而且当ＩＭＦＢｘ分量与地磁场Ｂｘ分量反向时，在等离子体幔区更易形成磁涡旋．这两种情况，在磁层顶边界层区都能产生多层的电流片．     

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。     

地球磁层对磁云边界层的大尺度响应分析——个例研究

主要分析了WIND飞船2004年11月9日探测的磁云边界层引起的大尺度地球磁层活动.磁层响应主要包括以下3个方面:(1)磁云边界层内本身持续较强南向磁场驱动了一个强磁暴的主相.(2)由于磁云边界层内部较强南向磁场持续一段时间后发生向北偏转触发了一个典型磁层亚暴.文中详细分析了亚暴膨胀相发生时夜侧磁层各区域的观测现象,包括极光观测、高纬地磁湾扰、地球同步轨道无色散粒子注入现象、Pi2脉动突然增强以及等离子体片偶极化现象等.(3)磁云边界层和前面鞘区组成一个动压增强区,此动压增强区强烈压缩磁层,致使磁层顶进入地球同步轨道以内;当磁云边界层扫过磁层时,位于向阳侧地球同步轨道上的两颗GOES卫星大部分时间位于磁层磁鞘中,以致很长时间内直接暴露在太阳风中.利用Shue(1998)模型计算得到当磁云边界层扫过磁层时磁层顶日下点的位置被压缩至距地心最近距离为5.1RE,磁云边界层的强动压结构以及强间断面决定了磁云边界层对磁层的强压缩效应.强动压结构、多个强间断结构以及持续较长时间的强南向磁场是许多磁云边界层的共性,这里以此磁云边界层事件为例分析了磁云边界层的地球磁层响应.     

地球磁层对磁云边界层的大尺度响应分析——个例研究

主要分析了WIND飞船2004年11月9日探测的磁云边界层引起的大尺度地球磁层活动．磁层响应主要包括以下3个方面：（1）磁云边界层内本身持续较强南向磁场驱动了一个强磁暴的主相．（2）由于磁云边界层内部较强南向磁场持续一段时间后发生向北偏转触发了一个典型磁层亚暴．文中详细分析了亚暴膨胀相发生时夜侧磁层各区域的观测现象,包括极光观测、高纬地磁湾扰、地球同步轨道无色散粒子注入现荆、Pi2脉动突然增强以及等离子体片偶极化现象等．（3）磁云边界层和前面鞘区组成一个动压增强区,此动压增强区强烈压缩磁层,致使磁层顶进入地球同步轨道以内;当磁云边界层扫过磁层时,位于向阳侧地球同步轨道上的两颗GOES卫星大部分时间位于磁层磁鞘中,以致很长时间内直接暴露在太阳风中．利用Shue（1998）模型计算得到当磁云边界层扫过磁层时磁层顶日下点的位置被压缩至距地心最近距离为5．1RE,磁云边界层的强动压结构以及强间断面决定了磁云边界层对磁层的强压缩效应．强动压结构、多个强间断结构以及持续较长时间的强南向磁场是许多磁云边界层的共性,这里以此磁云边界层事件为例分析了磁云边界层的地球磁层响应．     

基于卫星观测的上游等离子体β与磁层顶厚度、速度等特征参数关系的统计研究

基于Cluster(C3)卫星的观测数据,本文统计分析了 2001年至2009年的低纬(GSE坐标系下纬度小于45°)侧翼晨(磁地方时MLT＜08)、昏(MLT＞16)两侧磁层顶的特征.分别用法拉第残差最小化分析法(MFR分析)和DeHoffmann-Teller分析法(HT分析)计算了磁层顶厚度、运动速度以及平均电流密度等参数.收集了近磁层顶磁鞘侧的β值(等离子体热压磁压之比),并应用瓦伦测试划分了磁层顶的旋转不连续和切向不连续.结果表示,磁层顶的晨昏两侧存在明显的不对称,即晨侧磁层顶厚度更厚、运动也更加活跃.上游β值由近日侧到磁尾整体上表现出下降趋势,但在昏侧部分区域出现异常升高,通过分析β值对磁层顶厚度和运动速度的影响发现,更高的上游β值对应的磁层顶厚度更薄,运动速度更高,但是上游β的晨昏不对称并不是造成磁层顶厚度和运动速度晨昏不对称的主要原因,本文认为,磁层顶参数的晨昏不对称可能并不是由单一的上游参数造成的.最后,高β对研究区域内的磁层顶瓦伦关系有破坏作用.     

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.     

我国磁层物理研究的进展和展望

在我国空间科学的开拓者赵九章教授的倡导下，1959年我国开始开展磁层物理研究工作．70年代中期以后，经过20多年的努力，我国磁层物理研究有了很大进展，现已具备重点发展和重点突破的条件本文在文献[1-3]综述的基础上，对近年来我国在磁层物理若干领域内的主要成果进行了补充评述，并对21世纪初我国磁层物理学的发展提出若干建议     

Instability of the magnetosphere-ionosphere convection and formation of auroral arcs

In this paper we study an instability of the plasma moving towards the Earth near the inner plasma sheet boundary. We include both the interchange instability of the plasma sheet and the magnetosphere-ionosphere interaction instability caused by an effect of field-aligned currents (connected with electron precipitation) on ionospheric conductivity. The instability leads to the separation of steady-state magnetospheric convection into parallel layers. This instability may be responsible for the appearance of quiet auroral arcs inside region 2 of field-aligned currents flowing out of the ionosphere. This instability allows us to explain also the existence of crossing auroral arcs.     

A possible mechanism for <theta> aurora formation

A mechanism for the formation of aurora connected with the development of an interchange instability on the plasma sheet boundary layer (PSBL) is suggested. The PSBL is assumed to be deep inside the region of closed magnetic field lines. A system of equations connecting currents in the ionosphere and magnetosphere is solved numerically. It is found, using realistic ionospheric and magnetospheric parameters, that in a period of 8–10 min a system of plasma bars directed to the Sun arises at high latitudes. The system of bars is about 1000 km in width and 3000 km in length and approximates the aurora. The suggested mechanism allows an explanation of a number of aurora features such as the appearance probability, electric field directions, energy spectra of precipitating particles, and its location.     

地球空间双星探测计划

地球空间双星探测计划包括两颗小卫星,将分别运行于目前国际上地球空间探测卫星尚未覆盖的近地赤道区和近地极区.双星计划的主要科学目标是用高分辨率的仪器在近地空间的主要活动区探测场和粒子的时空变化;研究磁层亚暴、磁暴和磁层粒子暴的触发机制及磁层空间暴对太阳活动和行星际扰动的响应过程;建立地球空间环境的动态模式.为了实现科学目标,赤道卫星和极区卫星上各载有9台探测仪器.赤道卫星的轨道是:近地点550km,远地点60000km,倾角约2.5°;极区卫星轨道是:近地点350km,远地点25000km,倾角约90°左右.为了使双星计划与欧空局ClusterⅡ相配合,赤道卫星计划于2002年12月发射,极区卫星计划于2003年6月发射.双星计划与ClusterⅡ相配合,可形成地球空间6点探测计划,这将成为21世纪初国际上重要的地球空间探测计划.     

Travelling convection vortices in the ionosphere map to the central plasma sheet

We investigate the magnetospheric domain responsible for the generation of ionospheric travelling convection vortices (TCV) by comparing the location of the TCV to the locations of the low-altitude particle-precipitation boundaries deduced from the DMSP satellite measurements. For three very well documented TCV events we are able to identify suitable satellite passes, in the sense that for each event we can identify two to three passes occurring close to the TCV observation in both time and space. In all three cases the comparisons place the TCV centres at or equatorward of the central plasma sheet/boundary plasma sheet precipitation boundary. Thus our results indicate that the field-aligned currents related to the TCV originate in the plasma sheet rather than at the magnetopause or in the low-latitude boundary layer, as previous studies suggest.Permanent address: Polar Geophysical Institute, Apatity, Murmansk region, 184200, Russia     

Energetic Particles Observed in the CUSP Region During a Storm Recovery Phase

In this paper we report energetic ion behavior and its composition variations observed by the Cluster/RAPID instrument when the spacecraft was travelling in the high latitude magnetospheric boundary region on the day of the 31 March, 2001, strongest magnetic storm in the past 50 years. The Dst index reached −360 nT at about 09:00 UT. During its early recovery phase, large amounts of oxygen and helium ions were observed; the ratio of oxygen to hydrogen in the RAPID energy range reached as high as 250%, which suggests that the observed energetic particles might be of magnetospheric origin. The observations further show that enhanced energetic electron fluxes are confined in a very narrow region, while protons have occupied a larger region, and heavy ions have been observed in an even larger region. The flux of energetic electrons show a slight enhancement in a region where the magnetic field magnitude is around zero. These observed energetic ions could be quasi-trapped by the current sheet in the stagnation region of the cusp.     

中纬电离层大尺度扰动的数值模拟

利用计算机模拟研究了不同条件下中纬电离层F区大尺度扰动的时空演变.当存在幅度约为5％的初始扰动时,Perkins不稳定性能发展成为大尺度电离层不均匀体.大气重力波能触发Perkins不稳定性,在更短时间内增长成为大幅度电离层振荡.非均匀局部电场结构也能产生局部电离层的大幅度扰动.本义的模拟表明,中纬电离层大尺度扰动主要表现为磁通管内等离子体沿磁力线的振荡.模拟结果与观测现象符合得很好.     

粘性可压缩流体中的波

本文在小扰动条件下,从粘性可压缩流体的运动方程、状态方程以及连续性方程导出了它的波动方程,从而表明粘性可压缩流体中能够存在有耗损的纵波与横波。文中还针对自由界面、刚性界面、粘性流体内部分界面、粘性流体与弹性固体分界面等,求出了平面波的反射系数和透射系数。