太阳风在地球激波前兆区减速的统计研究

本文首次利用完全相同两颗卫星（CLUSTER C1和C3）的数据对地球激波前兆区太阳风的减速和偏转特性进行了统计研究.结果表明,在激波前兆坐标系中,太阳风减小的速度随观测点到激波的距离D_BS增大而减小,随行星际磁场与激波法向夹角θ_BN增大也减小,在ULF波动区深度D_WS小于6R_e(R_e为地球半径)的范围内最为显著;伴随着太阳风减速的另外一个现象——太阳风的偏转,也存在相似的规律.其最大减速和最大偏转角度分别为10 km/s和3°.太阳风减速和偏转,以及随之变化的太阳风动压,可能会引起地球磁层顶位置和形状发生改变,同时也为激波前兆区弥散（diffuse）离子的起源及加热提供了一种可能的机制.     

行星际扰动对地磁活动的影响

利用第23太阳活动周中WIND和ACE资料,统计分析行星际扰动对不同水平地磁活动的影响,研究磁暴强度与不同行星际参数之间的相关性,结果发现:①从长期来看,地磁活动指数Dst与太阳风速度的相关性最好,相关性在太阳活动谷年时最高;②多磁暴时序叠加结果证实了导致小、中、强磁暴开始的经验行星际南向磁场条件,磁暴过程中行星际磁场...     

地球弓激波前的低频磁流体波

一、引言 在地球弓激波前存在着低频磁流体波。这种低频磁流体波是太阳风在地球弓激波上的反射粒子和太阳风粒子之间相互作用产生的。根据人造卫星的观测资料可以得到,在地球弓激波前,Pc3-4脉动频率范围内的低频磁流体波的主频率和行星际磁场强度     

激波在磁盔－电流片位场中的传播：（Ⅰ）激波与磁盔间的相互作用

利用新近获得的子午面磁盔－电流片背景太阳风稳态解，对激波从盔底沿电流片方向往外传播时与磁盔间的相互作用进行了数值模拟研究，重要新结果是：１．磁盔的存在使受扰介质速度跃变中央出现下凹，随着激波传出磁盔区并沿电流片方向传播，速度下凹逐渐减弱以致消失；２．激波将磁盔拉长并把盔顶的环形（垂直赤道面）磁场带到行星际空间，成为行星际磁场南向分量的来源之一；３．５个太阳半径（Ｒ⊙）内的磁盔部分将出现精细结构，沿盔外边界形成两条高速带，以及马蹄形密度（亮）环形结构等．这些结果表明，太阳附近高速等离子体与磁盔间存在重要的动力学相互作用过程，对行星际空间的太阳风三维结构有重要影响．     

激波在磁盔－电流片位场中的传播：（Ⅰ）激波与磁盔间的相互作用

利用新近获得的子午面磁盔－电流片背景太阳风稳态解，对激波从盔底沿电流片方向往外传播时与磁盔间的相互作用进行了数值模拟研究，重要新结果是：１．磁盔的存在使受扰介质速度跃变中央出现下凹，随着激波传出磁盔区并沿电流片方向传播，速度下凹逐渐减弱以致消失；２．激波将磁盔拉长并把盔顶的环形（垂直赤道面）磁场带到行星际空间，成为行星际磁场南向分量的来源之一；３．５个太阳半径（Ｒ⊙）内的磁盔部分将出现精细结构，沿盔外边界形成两条高速带，以及马蹄形密度（亮）环形结构等．这些结果表明，太阳附近高速等离子体与磁盔间存在重要的动力学相互作用过程，对行星际空间的太阳风三维结构有重要影响．     

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．     

太阳风压力系数的研究

利用全球磁流体力学(MHD)的模拟结果,研究了太阳风压力系数与上游太阳风参数和日下点磁层顶张角的相关性.在识别出日下点附近磁层顶位置后,通过拟合得到日下点附近的磁层顶张角.在考虑上游太阳风中的磁压和热压以及磁层顶外侧的太阳风动压的情况下,计算了太阳风压力系数.通过分析行星际磁场不同方向时太阳风动压在日地连线上与磁压和热压的转化关系,详细研究了太阳风参数和日下点磁层顶张角对太阳风压力系数的影响,得到以下相关结论:(1) 在北向行星际磁场较大(B_z≥5 nT)时,磁层顶外侧磁压占主导,南向行星际磁场时磁层顶外侧热压占主导;(2) 太阳风压力系数随着行星际磁场的增大而增大,随着行星际磁场时钟角的增大而减小;并且在行星际磁场大小和其他太阳风条件相同时,北向行星际磁场时的太阳风压力系数要大于南向行星际磁场时的;北向行星际磁场时,太阳风压力系数随着太阳风动压的增大而减小,南向行星际磁场时,太阳风压力系数随着太阳风动压的增大而增大;以上结论是对观测结果的扩展;(3) 最后,我们还发现太阳风压力系数随着日下点磁层顶张角的增大而增大.     

太阳风流速的太阳磁纬变化——一个三维背景太阳风模式

本文在简述当前在太阳坐标系中分析太阳风观测,研究太阳风三维结构的现状和问题的基础上,提出了太阳风参量太阳磁纬变化的概念,即在新的太阳磁坐标系中组织太阳风观测资料,分析太阳风参量相对于行星际电流片（而不是相对于太阳赤道）的空间分布。我们已做的1974年飞船观测资料分析和1976年行星际闪烁观测资料分析表明:存在着一个一致的合理的太阳风流速太阳磁纬变化规律。由此本文进一步提出了一个太阳风参量随太阳磁纬变化的背景太阳风模式。这模式不同于以前的各种无结构背景风模式（低速、平均、高速等）。文章最后讨论了这一背景结构的可能成因。     

In situ local shock speed and transit shock speed

A useful index for estimating the transit speeds was derived by analyzing interplanetary shock observations. This index is the ratio of the in situ local shock speed and the transit speed; it is 0.6–0.9 for most observed shocks. The local shock speed and the transit speed calculated for the results of the magnetohydrodynamic simulation show good agreement with the observations. The relation expressed by the index is well explained by a simplified propagation model assuming a blast wave. For several shocks the ratio is approximately 1.2, implying that these shocks accelerated during propagation in slow-speed solar wind. This ratio is similar to that for the background solar wind acceleration.     

Solar–geomagnetic activity and Aa indices toward a standard classification

Legrand and Simon [1989. Solar cycle and geomagnetic activity: a review for geophysicists. Part I. The contributions to geomagnetic activity of shock waves and of the solar wind. Annales Geophysicae 7(6), 565–578] classified one century (1868–1978) of geomagnetic activity, using the Mayaud's Aa index, in four classes related to solar activity: (1) the magnetic quiet activity due to slow solar wind flowing around the magnetosphere, (2) the recurrent activity related to high wind speed solar wind, (3) the fluctuating activity related to fluctuating solar wind and (4) the shock activity due to shock events (CME). In this paper, we use this classification to analyse the solar–geomagnetic activity from 1978 to 2005. We found that during the last three decades the level of geomagnetic quiet activity estimated by Aa indices is decreasing: 2003 is the year of the smallest level of quiet geomagnetic activity since 1868. We compare Legrand and Simon's classification with new in situ solar wind data [Richardson, I.G., Cliver, E.W., Cane, H.V., 2000. Sources of geomagnetic activity over the solar cycle: relative importance of coronal mass ejections, high-speed streams, and slow solar wind. Journal of Geophysical research 105(A8), 18,200–18,213; Richardson, I.G., Cane, H.V., 2002. Sources of geomagnetic activity during nearly three solar cycles (1972–2000). Journal of Geophysical Research 107(A8), 1187] and find a rather good agreement. The differences are only due to minor definitions of the extent of the classes. An attempt is made at defining a more precise standard classification of solar phenomena and at defining time scales of these to understand more precisely the geomagnetic signatures of solar activity.     

扇形边界附近太阻风粘性的数学描写和物理效应

本文首先指出经典粘性理论应适用于扇形边界低速风,接着论证了常用太阳风粘性数学表式的不正确性,导出了螺旋磁场中径向球对称强磁化等离子体流动的各种经典粘性表式,并证明了这些公式的合理性;最后讨论了常用太阳风经典粘性表式出错原因,估计了具有正确粘性公式的扇形边界低速太阳风粘性模式应有的结果。     

Interaction of the solar wind with Mars from Mars Global Surveyor MAG/ER observations

The observations of the magnetometer/electron reflectometer (MAG/ER) investigation onboard the Mars Global Surveyor (MGS) have greatly contributed to improve our understanding of the interaction of the solar wind with Mars. These observations established conclusively that a global dynamo-generated magnetic field does not exist at Mars, and that the interaction with solar wind is of the atmospheric type. This article reviews the most important results obtained from MGS MAG/ER on the study of two major features in the Mars solar wind interaction. The first feature is the occurrence of large-amplitude, highly coherent waves at the proton cyclotron frequency in the region upstream from the Martian bow shock. The second feature is the magnetic pileup boundary (MPB), a well-defined plasma boundary inside of which the planetary exospheric ions outnumber the solar wind ions. The study of these two elements is crucial to characterize the properties of the Martian exosphere. In addition, the occurrence of an MPB at comets and Venus reveals common processes to all these unmagnetized atmospheric bodies in spite of their different physical nature and characteristic scales.     

第23太阳活动周期太阳风参数及地磁指数的统计分析

日冕物质抛射(Coronal Mass Ejection,简称CME)和共转相互作用区(Corotating Interaction Region,简称CIR)是造成日地空间行星际扰动和地磁扰动的两个主要原因,提供了地球磁暴的主要驱动力,进而显著影响地球空间环境.为深入研究太阳风活动及受其主导影响的地磁活动的时间分布特征,本文对大量太阳风参数及地磁活动指数的数据进行了详细分析.首先,采用由NASA OMNIWeb提供的太阳风参数及地磁活动指数的公开数据,通过自主编写matlab程序对第23太阳活动周期(1996-01-01—2008-12-31)的数据包括行星际磁场Bz分量、太阳风速度、太阳风质子密度、太阳风动压等重要太阳风参数及Dst指数、AE指数、Kp指数等主要的地磁指数进行统计分析,建立了包括269个CME事件和456个CIR事件列表的数据库.采用事例分析法和时间序列叠加法分别对两类太阳活动的四个重要太阳风参数(IMF Bz、太阳风速度、太阳风质子密度、太阳风动压)和三个主要地磁指数(Dst、AE、Kp)进行统计分析,并研究了其统计特征.其次,根据Dst指数最小值确定了第23太阳活动周期内的355个孤立地磁暴事件,并以Dst指数最小值为标准将这些磁暴进一步分类为145个弱磁暴、123个中等磁暴、70个强磁暴、12个剧烈磁暴和5个巨大磁暴.最后,采用时间序列叠加法对不同强度磁暴的太阳风参数和地磁指数进行统计分析.统计分析表明,对于CME事件,Nsw/Pdyn(Nsw表示太阳风质子密度,Pdyn表示太阳风动压)线性拟合斜率一般为正;对于CIR事件,Nsw/Pdyn线性拟合斜率一般为负,这可作为辨别CME和CIR事件的一种有效方法.从平均意义上讲,相较于CIR事件,CME事件有更大的南向IMF Bz分量、太阳风动压Pdyn、AE指数、Kp指数以及更小的Dstmin.一般情况下,CME事件有更大的可能性驱动极强地磁暴.总体而言,对于不同强度的地磁暴,Dst指数的变化呈现出一定的相似性,但随着地磁暴强度的增强,Dst指数衰减的速度变快.CME和CIR事件以及其各自驱动的地磁暴事件有着很多不同,因此,需要将CME事件驱动的磁暴及CIR事件驱动的磁暴分开研究.建立CME、CIR事件及地磁暴的数据库以及获取的统计分析结果,将为深入研究地球磁层等离子体片、辐射带及环电流对太阳活动的响应特征提供有利的帮助.     

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.     

太阳风湍流和磁层亚暴的一种机制

太阳风的动量涨落将通过磁层边界在磁尾激发磁流体力学波。快磁声波携带扰动能量传到等离子体片中,发展为激波,或者通过激波的相互作用而耗散能量,使等离子体加热。等离子体片中的随机费米加速机制,使麦克斯韦分布尾巴部分的高能量粒子被加速到更高能。在宁静态时,加热、加速与耗散过程平衡。当太阳风的动量或者其涨落较大时,整个加热和加速过程加剧,更多的高能粒子产生,并从等离子体片中逃逸,形成高速的等离子体流注入近地轨道和极区,表现为磁层亚暴过程。利用这种机制,可以解释地球磁层亚暴的定性特征。