行星际背景太阳风的三维MHD数值模拟

近地空间的太阳风参数预报具有重要的科学研究意义和实际应用价值,三维磁流体力学（MHD）数值模拟是太阳风参数预报的重要手段.本文建立了一套基于经验模型的三维MHD数值模型.模型的内边界设置在0.1天文单位（AU）处,在六片网格系统下利用TVD Lax-Friedrich格式求解理想MHD方程组,采用扩散法消除磁场的散度.模型以GONG的观测磁图作为输入数据,利用经验模型并结合卫星观测特征确定内边界条件.边界条件中保留了6个可调参数,以便适当调整参数使其方便适合模拟不同太阳活动期的太阳风.利用该模型分别模拟了2007年和2016年的背景太阳风,得到了太阳风速度、密度、温度和磁场强度,这些参数与ACE/WIND卫星观测符合较好.

     

太阳风中磁场与等离子体流耦合的探讨

本文在忽略太阳风中磁场对粒子流温度影响的情况下,利用了两个研究太阳风的二元流体模型的结果,计算分析并讨论了在1AU内太阳赤道面附近,考虑磁场与等离子体流耦合后,各太阳风参数的变化情况。结果表明,太阳风中磁场对等离子休流的作用在方位角向较显著;磁场使太阳风方位角速度在1AU处的值可达到1.85km/s;低速太阳风的角动量主要由其中的磁场携带,磁场能逐步将其角动量传输给等离子体流。     

地球远磁尾中的磁场重联——（Ⅱ）局部驱动力的影响

基于可压缩磁流体动力学模型,数值研究了由太阳风引起的局部驱动力对地球远磁尾中磁场重联的影响.结果表明,在远磁尾等离子体片中将发生强迫磁场重联,并形成磁岛和等离子体团.形成磁岛的特征时间很大于流动撕裂模不稳定性引起磁岛非线性饱和的特征时间.磁岛宽度随着磁Reynolds数S的增大而减小,随着尾瓣中等离子体压力与磁压之比值β_∞的降低而减小.认为太阳风引起的局部驱动力对地球远磁尾等离子体片中磁场重联的影响,可能不如流动撕裂模不稳定性那样显著.     

太阳风中磁场与等离子体流耦合的探讨

本文在忽略太阳风中磁场对粒子流温度影响的情况下,利用了两个研究太阳风的二元流体模型的结果,计算分析并讨论了在1AU内太阳赤道面附近,考虑磁场与等离子体流耦合后,各太阳风参数的变化情况。结果表明,太阳风中磁场对等离子休流的作用在方位角向较显著;磁场使太阳风方位角速度在1AU处的值可达到1.85km/s;低速太阳风的角动量主要由其中的磁场携带,磁场能逐步将其角动量传输给等离子体流。     

磁场散度为零的变分重构法在日冕太阳风数值模拟中的应用

本文利用保持平均磁场散度为零的限制条件,设计出了满足全局散度为零的变分重构方法（Globally solenoidality-preserving variational reconstruction approach,VR-GSP）,并将其应用于日冕太阳风磁流体力学（Magnetohydrodynamics,MHD）数值模拟中的磁场重构.为评估该方法的有效性,我们模拟了2234卡林顿周（Carrington rotation,CR）的日冕结构.在模拟中,我们将VR-GSP方法与Feng等（2019）中的基于最小二乘法的全局磁场散度为零的重构方法（Globally solenoidality-preserving least-squares method,LSQ-GSP）作了比较.比较结果显示,基于VR-GSP方法的MHD模拟同样再现了Solar Dynamics Observatory（SDO）卫星、Solar and Heliospheric Observatory（SOHO）飞船以及Wind卫星观测到的包括冕流以及高低速流等大尺度日冕结构,而且相比于LSQ-GSP,基于VR-GSP的MHD模拟的计算效率更高,从而也说明其更有助于在有限体积框架下设计出满足磁场散度为零的高效和紧致的数值方法,并应用于研究复杂强磁场环境下的磁流体力学问题.

     

MHD激波解的讨论

从Ｒａｎｋｉｎｅ－Ｈｕｇｏｎｉｏｔ关系出发,以激波切向磁场ξ、上游激波角θ１和等离子体β１值为参数研究各类激波解的特性及相互关系,阐明各类激波强度随介质β值的变化规律．结果指出：（１）在ξ＜－１的Ⅰｂ型中间激波区和ξ＞４的快激波区存在双解;（２）慢激波可以直接和中间激波连接,但不能和快激波直接连接;（３）各类激波强度（用激波密度比衡量）随β１值均有变化：Ⅰｂ型中间激波上支随β１值增加而下降,下支则上升;Ⅰａ型中间激波和慢激波都随β１值增加而下降;快激波双解区上支随β１值增加而下降。下支上升;快激波在１＜ξ＜４区间的解随β１值增加而上升。     

地球远磁尾中的磁场重联——（Ⅱ）局部驱动力的影响

基于可压缩磁流体动力学模型,数值研究了由太阳风引起的局部驱动力对地球远磁尾中磁场重联的影响.结果表明,在远磁尾等离子体片中将发生强迫磁场重联,并形成磁岛和等离子体团.形成磁岛的特征时间很大于流动撕裂模不稳定性引起磁岛非线性饱和的特征时间.磁岛宽度随着磁Reynolds数S的增大而减小,随着尾瓣中等离子体压力与磁压之比值β_∞的降低而减小.认为太阳风引起的局部驱动力对地球远磁尾等离子体片中磁场重联的影响,可能不如流动撕裂模不稳定性那样显著.     

MHD激波解的讨论

从Ｒａｎｋｉｎｅ－Ｈｕｇｏｎｉｏｔ关系出发，以激波切向磁场ξ、上游激波角θ_１和等离子体β_１值为参数研究各类激波解的特性及相互关系，阐明各类激波强度随介质β值的变化规律．结果指出：（１）在ξ＜－１的Ⅰ_ｂ型中间激波区和ξ＞４的快激波区存在双解；（２）慢激波可以直接和中间激波连接，但不能和快激波直接连接；（３）各类激波强度（用激波密度比衡量）随β_１值均有变化：Ⅰ_ｂ型中间激波上支随β_１值增加而下降，下支则上升；Ⅰ_ａ型中间激波和慢激波都随β_１值增加而下降；快激波双解区上支随β_１值增加而下降。下支上升；快激波在１＜ξ＜４区间的解随β_１值增加而上升。     

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.

     

太阳等离子体和磁场输出源表面结构的一种MHD模型

以观测到的光球视向磁场、Ｋ－日冕亮度作为输入,以相应的统计结果为约束条件,利用磁流体力学方程组,给出了等离子体及磁场各参数在源表面上的二维分布．其结果与同期的卫星观测数据和已有的统计结果相比较,显示出相当程度的一致性．     

太阳风湍流中局地背景磁场下的结构函数指数特征

太阳风是天然的磁流体湍流实验室.当前流行的描述磁流体湍流的临界平衡串级模型,预测平行局地背景磁场的谱指数为-2.小波变换分析和结构函数分析是得到相对于局地背景磁场的谱指数各向异性的两个主要方法.前人的工作得到了太阳风中平行局地背景磁场的谱指数为-2的观测结果.然而,这一结果被认为是受到了太阳风中的间歇或结构的影响.一方...     

太阳等离子体和磁场输出源表面结构的一种MHD模型

以观测到的光球视向磁场、Ｋ－日冕亮度作为输入,以相应的统计结果为约束条件,利用磁流体力学方程组,给出了等离子体及磁场各参数在源表面上的二维分布．其结果与同期的卫星观测数据和已有的统计结果相比较,显示出相当程度的一致性．     

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.     

行星际磁场北向时太阳风－磁层的能量耦合

利用量纲分析法研究太阳风磁层的能量耦合问题。得到了在考虑磁层对太阳风的粘滞作用情况下,行星际磁场北向时的太阳风－磁层能量耦合函数,并首次在耦合函数中引入太阳风温度变量,在此基础上得到了一般情况下的太阳风－磁层耦合函数．     

行星际磁场北向时太阳风－磁层的能量耦合

利用量纲分析法研究太阳风磁层的能量耦合问题。得到了在考虑磁层对太阳风的粘滞作用情况下，行星际磁场北向时的太阳风－磁层能量耦合函数，并首次在耦合函数中引入太阳风温度变量，在此基础上得到了一般情况下的太阳风－磁层耦合函数．     

极点热层密度变化特征及其受太阳风扇形结构调制

本文基于2002年至2010年的GRACE卫星的观测密度统计分析南北极点的热层大气密度的世界时（即磁地方时）变化.研究发现：在9—11月份地球处于行星际磁场为背向太阳的扇区内（背向扇区）时,南极点热层密度在约17:00 UT（13:30 MLT）达到最大值,比日平均值高约22%;而在6—8月份,当地球处于行星际磁场为面向太阳的扇区内（面向扇区）时,北极点热层密度在06:00 UT（12:30 MLT）达到最大值,比日平均值高约13%.南极点的磁纬是-74°,其在15:30 UT处于磁地方时正午,恰与极尖区位置重合.北极点在5:30 UT处于磁地方时正午,此时北极点与极尖区位置最靠近.因此,极点热层大气密度的磁地方时变化可能是其周期性靠近极尖区的结果.南北极点热层密度的磁地方时变化分别在背向和面向扇区内更明显,这可能与行星际磁场B_y分量对南北半球密度的不同影响有关.统计结果还表明,极点热层大气密度的磁地方时变化在冬季半球内不明显.这可能是由于在冬季半球,沉降于极尖区的粒子相比夏季半球少、沉降高度低,因而能量沉降所引起的热层上部的密度增强较小.

     

行星际磁场北向时太阳风－磁层的能量耦合

利用量纲分析法研究太阳风磁层的能量耦合问题。得到了在考虑磁层对太阳风的粘滞作用情况下，行星际磁场北向时的太阳风－磁层能量耦合函数，并首次在耦合函数中引入太阳风温度变量，在此基础上得到了一般情况下的太阳风－磁层耦合函数．     

地球磁层的磁场模型

1958年卫星探测发现了磁层,至今已有半个世纪,对磁层电场、电流体系、磁场、粒子分布和等离子体波的探测研究构成了空间物理的重要内容,其结果是各种磁层模型的出现.本文简要综述磁层磁场建模的基本原理、方法和发展历史,对十几种重要的磁层模型的特点、局限性和适用范围进行了对比分析,以Tyganenko模型为例,讨论了磁层模型发展的趋势.     

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Dst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 Bz较为敏感,而IMF Bz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.     

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.