内磁层电流体系的地磁效应

对Ⅱ区场向电流及其伴随的部分环电流和电离层电流组成的内磁层三维电流体系（PRFI电流系）的磁场效应进行了数值计算.这一三维电流体系在中低纬度地面产生的磁场呈现出特殊的纬度分布:X分量几乎不随纬度变化,Y分量随纬度增高近似呈线性变化.这些特征明显不同于对称环电流的磁场分布特征（X∝ cosφ,φ是纬度,Y=0）,也不同于DP2、Sq、L等电流体系的磁场分布特征.利用这一特征我们可以从地磁台子午链观测到的磁场扰动中分离出PRFI电流系的贡献.用1989年3月磁暴的实例检验了上述模型,观测结果与理论结果符合得很好.分析结果还表明,最大的Dst指数并不一定对应着最强的对称环电流.     

水星内磁层等离子体带及电流体系

水星是太阳系中离主星最近的和最小的类地行星, 它具有独特的空间环境.水手10号(Mariner 10)确认水星拥有全球性内禀偶极磁场和磁层.但是由于早期观测有限, 人们通常将水星磁层简单地视作地球磁层的缩小版来研究.不过, 在信使号(MESSENGER)访问水星之后, 人们认识到水星和地球的空间环境有巨大差异.通过更深入的分析研究, 人们发现在水星内磁层中, 夜侧磁赤道面附近有带状的等离子体分布, 并且该等离子体带可能与多种磁层电流体系(分叉环电流、亚暴电流楔和东向电流等)密切相关.在贝彼哥伦布(BepiColombo)计划揭开水星研究的新篇章之际, 本文回顾近些年来与水星内磁层等离子体带及相关电流体系有关的研究, 并指出相关研究将是未来水星空间环境的前沿热点.

     

磁层亚暴期间高纬地区三维电流体系

确定亚暴期间高纬地区的三维电流体系是磁层和电离层物理的基本问题之一,本文简述了近年来发展的根据地面地磁活动的记录及演三维电流体系的两种较新的方法:KRM（Kamide-Richmond-Matsushita）方法和K（Kisabeth）方法.在KRM方法和许多其它类似的计算中,都假定磁力线是垂直于电离层沿地球径向的直线.本文介绍了一种递推方法,可计算场向电流沿弯曲的偶极子场线流动的情况。同时,还介绍了高纬三维电流体系对亚暴期间中低纬度地磁扰动的贡献。最后介绍了在计算电流体系时所需的电离层电导率模式。     

磁层亚暴期间高纬地区三维电流体系

确定亚暴期间高纬地区的三维电流体系是磁层和电离层物理的基本问题之一,本文简述了近年来发展的根据地面地磁活动的记录及演三维电流体系的两种较新的方法:KRM（Kamide-Richmond-Matsushita）方法和K（Kisabeth）方法.在KRM方法和许多其它类似的计算中,都假定磁力线是垂直于电离层沿地球径向的直线.本文介绍了一种递推方法,可计算场向电流沿弯曲的偶极子场线流动的情况。同时,还介绍了高纬三维电流体系对亚暴期间中低纬度地磁扰动的贡献。最后介绍了在计算电流体系时所需的电离层电导率模式。     

1998年5月磁暴磁层电流体系的地磁效应分析

低纬度地区地磁场的短时变化主要由以下电流体系产生:电离层发电机电流(IDC)、对称环电流(SRC)以及由部分环电流和Ⅱ区场向电流及其电离层回路组成的内磁层三维电流体系(PRFI).此外,由Ⅰ区场向电流及其电离层回路组成的电流体系(FACI)所产生的低纬地磁场也是不可忽略的.本文针对1998年5月1-6日的大磁暴,首先利用多个同子午线台站对的数据分离并消去由IDC电流产生的Sq场.然后,通过线性建模分离其他电流体系产生的磁场成分.结果表明:(1)发生在5月1-6日的磁暴可以分为两个过程,PRFI和FACI电流体系在1-3日不明显,在4-5日伴随着亚暴强烈发生.(2)SRC的变化情况在第一阶段同Dst指数相似,在第二阶段明显滞后于Dst指数.(3)在5月4-5日,PRFI在SRC之前增强,随着PRFI和FACI的恢复,SRC开始增强.这一结果为我们了解环电流和场向电流的形成以及它们的关系提供线索.     

1998年5月磁暴磁层电流体系的地磁效应分析

低纬度地区地磁场的短时变化主要由以下电流体系产生:电离层发电机电流(IDC)、对称环电流(SRC)以及由部分环电流和Ⅱ区场向电流及其电离层回路组成的内磁层三维电流体系(PRFI).此外,由Ⅰ区场向电流及其电离层回路组成的电流体系(FACI)所产生的低纬地磁场也是不可忽略的.本文针对1998年5月1-6日的大磁暴,首先利用多个同子午线台站对的数据分离并消去由IDC电流产生的Sq场.然后,通过线性建模分离其他电流体系产生的磁场成分.结果表明:(1)发生在5月1-6日的磁暴可以分为两个过程,PRFI和FACI电流体系在1-3日不明显,在4-5日伴随着亚暴强烈发生.(2)SRC的变化情况在第一阶段同Dst指数相似,在第二阶段明显滞后于Dst指数.(3)在5月4-5日,PRFI在SRC之前增强,随着PRFI和FACI的恢复,SRC开始增强.这一结果为我们了解环电流和场向电流的形成以及它们的关系提供线索.     

基于地磁台站数据对磁暴期间环电流和场向电流的分布特征研究

磁暴的发生与环电流的变化密切相关.除了对称环电流外,部分环电流在磁暴的发展过程中也起到了重要的作用,同时部分环电流通过场向电流与极区电离层中的电流形成回路.本文应用INTERMAGNET地磁台网北半球中低纬区域地磁台站数据,对不同强度4个磁暴事件主相和恢复相期间部分环电流和场向电流的磁地方时分布进行了分析和讨论.对于每一个磁暴事件,在低纬地区（地磁纬度约0°—40°N）选用地磁经度上大致均匀的8个台站,通过坐标转换计算平行于磁偶极轴的地磁场水平分量H来分析磁暴期间环电流所引起的磁场扰动;在低纬地区8个台站的基础上增加中纬地区（地磁纬度约40°N—60°N）地磁经度上大致均匀的6个台站,计算地磁坐标系下地磁场东西分量Y来分析磁暴期间场向电流在中低纬地区引起的磁场扰动.结果表明,磁暴主相期间的部分环电流主要作用于磁地方时昏侧和夜侧扇区,并且主相和恢复相期间部分环电流引起的磁场变化随着磁暴级别的增大而增大;磁暴主相期间向下的场向电流多出现在夜侧至晨侧扇区,向上的场向电流多出现在昏侧至午后扇区,且中纬地区向下和向上场向电流的展布范围明显大于低纬地区;恢复相期间弱、中磁暴事件的场向电流呈现与部分环电流相同的减弱趋势,而强、大磁暴事件在恢复相末期场向电流引起的磁场变化明显不同于恢复相的其他时刻,这可能与高纬较强的亚暴活动有关.

     

地球内磁层场向电流的统计特征

利用ISEE－1和ISEE-2飞船观测的磁场数据,分析了地球内磁层场向电流的统计特征,包括场向电流的空间（L值和地方时）分布;流进和流出电离层的场向电流随地方时的变化;场向电流发生率与地磁活动水平（以AL指数表征）、行星际磁场（IMF）Bz的关系,电流强度和密度随地磁活动水平的变化等．发现,场向电流大都发生在夜间,且集中在L为6—10区域内,场向电流发生率,强度和密度随地磁活动增强而增大,行星际磁场南向时的发生率远远高于北向时的发生率．这些结果表明,内磁层场向电流的产生是太阳风和磁层、电离层间电动耦合增加的结果．     

地球内磁层场向电流的统计特征

利用ISEE－1和ISEE-2飞船观测的磁场数据，分析了地球内磁层场向电流的统计特征，包括场向电流的空间（L值和地方时）分布；流进和流出电离层的场向电流随地方时的变化；场向电流发生率与地磁活动水平（以AL指数表征）、行星际磁场（IMF）Bz的关系，电流强度和密度随地磁活动水平的变化等．发现，场向电流大都发生在夜间，且集中在L为6-10区域内，场向电流发生率，强度和密度随地磁活动增强而增大，行星际磁场南向时的发生率远远高于北向时的发生率．这些结果表明，内磁层场向电流的产生是太阳风和磁层、电离层间电动耦合增加的结果．     

磁层系统的能量输入、输出与日地耦合

用１９７８年和１９８２年３６个磁暴期间的太阳风、行星际磁场（ＩＭＦ）和地磁资料,分析和检验已有的两类太阳风－磁层能量耦合函数．结果表明：Ａｋａｓｏｆｕ提出的耦合函数ε能大致地预报亚暴和磁暴的发生。ε开始起重要作用时即出现亚暴;电离层能耗达到饱和值是发生磁暴的标志。ε与磁层体系能耗之间有接近于对数量的线性关系．用１９７８－１９８６年的资料,分析环电流和极光区电离层能耗在１２１个太阳自转周内的分布表明,日面上可能存在相对持久的活动区域     

地磁场Sq的经度效应和UT变化

使用国际地球物理年（ＩＧＹ）和国际地球物理合作年（ＩＧＣ）期间全球地磁台网的资料和中国台站的同期地磁记录，对地磁场太阳日变化Ｓ_ｑ的经度效应和ＵＴ变化进行了分析研究．将适用于瞬时全球磁场的球谐分析法与适用于平均场的双调和分析法相结合，提出了一种分析Ｓ_ｑ磁场的新方案，得到了（θ，Ｔ，ｔ）坐标系中组成Ｓ_ｑ场的三个部分，即仅随地方时ＬＴ变化的部分Ｓ_ＬＴ，仅随世界时ＵＴ变化的部分Ｓ_ＵＴ以及既随ＬＴ变化又随ＵＴ变化的部分Ｓ_ＬＵＴ．从全球来看，在ＩＧＹ／ＩＧＣ期间，这三部分的强度之比分别为：Ｘ分量１．０：０．２：０．３，ｙ分量１．０：０．１：０．６，Ｚ分量１．０：０．４：１．０．Ｓ_ｑ的经度效应和ＵＴ变化虽然表现了同一物理过程，但它们有不同的表达形式，其决定因素是地磁轴对地理轴的倾斜，地磁场的非偶极子成分（即区域性异常）和地球内部电性的横向不均匀性（包括海陆分布、地壳上地幔电导率的区域差异）     

地磁场Sq的经度效应和UT变化

使用国际地球物理年（ＩＧＹ）和国际地球物理合作年（ＩＧＣ）期间全球地磁台网的资料和中国台站的同期地磁记录,对地磁场太阳日变化Ｓｑ的经度效应和ＵＴ变化进行了分析研究．将适用于瞬时全球磁场的球谐分析法与适用于平均场的双调和分析法相结合,提出了一种分析Ｓｑ磁场的新方案,得到了（θ,Ｔ,ｔ）坐标系中组成Ｓｑ场的三个部分,即仅随地方时ＬＴ变化的部分ＳＬＴ,仅随世界时ＵＴ变化的部分ＳＵＴ以及既随ＬＴ变化又随ＵＴ变化的部分ＳＬＵＴ．从全球来看,在ＩＧＹ／ＩＧＣ期间,这三部分的强度之比分别为：Ｘ分量１．０：０．２：０．３,ｙ分量１．０：０．１：０．６,Ｚ分量１．０：０．４：１．０．Ｓｑ的经度效应和ＵＴ变化虽然表现了同一物理过程,但它们有不同的表达形式,其决定因素是地磁轴对地理轴的倾斜,地磁场的非偶极子成分（即区域性异常）和地球内部电性的横向不均匀性（包括海陆分布、地壳上地幔电导率的区域差异）     

中低纬度电离层大尺度电流体系空间结构的稳定性

本文在Hibberd方法的基础上提出了一种分离变化磁场几种主要成分的方法,使用这种方法可以定量地给出每天S_q型变化、D_st变化和其他不规则变化。用东亚地磁台链资料进行了检验,结果表明:中低纬度电离层S_q型电流体系的空间结构相当稳定,即使在磁暴期间,该电流体系的结构也无十分明显的变化;磁扰期间复杂的地磁变化主要来自磁层环电流、场向电流和高纬度电离层电流:S_q逐日变化主要表现在幅度上,这反映了电离层发电机电流体系具有较稳定的空间结构和逐日变化的强度。     

对流电场、场向电流和极光区电集流变化的地磁响应

对流电场、场向电流和极光区电集流是磁层一电离层耦合的主要物理过程．它们的演化发展时间分别为几分钟至半小时的量级．本文用１００°Ｅ和３００°Ｅ的两个地磁经度链附近各１１个台站的１ｍｉｎ均值地磁Ｈ和Ｚ分量资料,分析了１９９４年４月１６-１７日磁暴期间磁层耦合过程对极光区和中低纬区电离层扰动的地磁特征．强磁暴开始时,台站所处的地方时位置不同,则观测到的电离层和地磁响应也完全不同．这是磁层对流和一、二区场向电流共同作用的结果．一般说,扰时极光区的西向电集流变化更为强烈．随着耦合的发展,极光区范围会向南北扩展,电集流中心带则向低纬侧移动．在中低纬区,二区场向电流的建立能屏蔽一区场向电流所产生的扰动,并引起反向的电流及地磁变化．由此,中低纬区夜间有可能出现短时间的东向电场,又可通过ＥＸＢ的垂直向上漂移作用抬升Ｆ层等离子体,并发生同一经度链附近的多站电离层ｈ＇Ｆ同时突增现象．另一方面,磁赤道附近的台站则更多地受内磁层赤道环电流和电离层赤道电集流的影响．     

对流电场、场向电流和极光区电集流变化的地磁响应

对流电场、场向电流和极光区电集流是磁层一电离层耦合的主要物理过程．它们的演化发展时间分别为几分钟至半小时的量级．本文用１００°Ｅ和３００°Ｅ的两个地磁经度链附近各１１个台站的１ｍｉｎ均值地磁Ｈ和Ｚ分量资料,分析了１９９４年４月１６—１７日磁暴期间磁层耦合过程对极光区和中低纬区电离层扰动的地磁特征．强磁暴开始时,台站所处的地方时位置不同,则观测到的电离层和地磁响应也完全不同．这是磁层对流和一、二区场向电流共同作用的结果．一般说,扰时极光区的西向电集流变化更为强烈．随着耦合的发展,极光区范围会向南北扩展,电集流中心带则向低纬侧移动．在中低纬区,二区场向电流的建立能屏蔽一区场向电流所产生的扰动,并引起反向的电流及地磁变化．由此,中低纬区夜间有可能出现短时间的东向电场,又可通过ＥＸＢ的垂直向上漂移作用抬升Ｆ层等离子体,并发生同一经度链附近的多站电离层ｈ＇Ｆ同时突增现象．另一方面,磁赤道附近的台站则更多地受内磁层赤道环电流和电离层赤道电集流的影响．