2003年11月20日磁暴主相期间磁鞘的观测研究

2003年11月20日磁暴主相期间,Cluster卫星正好处在黄昏侧的磁鞘附近.在主相期间磁鞘磁场Bz分量大约为-60 nT,这和ACE卫星观测值基本一致.同时,磁鞘中的离子速度分布对磁鞘中的磁场方向有很强的依赖性.行星际电场Ey在磁鞘中大约是50 mV/m.磁鞘中这些极端的磁场,电场和离子的流动驱动了迄今23个太阳活动周期中最大的磁暴,其Dst指数是-472 nT.Cluster卫星观测发现磁鞘中离子的数密度比较低,这可能是由磁云经过地球时太阳风的低密度造成的.磁鞘中能量范围为1～10 keV的H+,He+和He2+的数密度主要是由磁鞘中太阳风的数密度决定的.同时,对磁鞘中存在大量的1～10 keV氧离子进行了讨论.在极端的南向行星际磁场条件下,磁层顶受到很强的压缩.氧离子可以利用较大的回旋半径,在强压缩的磁层顶和磁鞘对流的共同影响下进入磁鞘.这也表明了磁层对极端行星际条件的一种响应.Cluster卫星在11月20日磁暴事件中的观测研究,对进一步全面认识大磁暴事件有很重要的作用.     

日侧伴随电子加速的离子上行事件的分布特征

本文基于2005年1月和7月DMSP F13卫星的观测数据, 研究了日侧伴随电子加速的顶部电离层离子整体上行事件的分布特征.结果表明, 离子上行主要发生在磁纬70°~80° MLAT范围内, 加速电子磁层源区对应低纬边界层和等离子体片边界层; 冬季上行存在明显的"晨昏不对称性", 主要发生在晨侧(06∶00—09∶00 MLT), 夏季上行主要发生在磁正午(09∶00—15∶00 MLT), 以磁正午为中心近似呈对称分布, 并且冬季离子上行发生率显著高于夏季; 离子上行发生率在中等地磁活动时期显著增强, 上行区域随着地磁活动的增强向低纬度方向扩展; 行星际磁场Bx>0时, 对应等离子体片边界层13∶00—18∶00 MLT和06∶00—09∶00 MLT区域内上行发生率增加, 行星际磁场By的方向会导致上行高发区以磁正午为中心发生反转, 行星际磁场南向时, 上行发生率增强; 冬季离子上行平均速度高于夏季.     

2001年3月2日磁通量传输事件特性的研究

2001年3月2日11:00 至11:15 UT 期间,Cluster Ⅱ在南半球极尖区晨侧附近磁鞘内探测到3个通量传输事件（简称FTEs）. 本文利用Cluster Ⅱ星簇4颗卫星观测到的磁场和等离子体资料研究了这些通量传输事件的磁场形态和粒子特征. 并利用它们探测到的空间磁场梯度资料由安培定律直接求出星簇所在区域的电流分布. 结果指出：（1）BY占优势的行星际磁场结构在磁层顶的重联可以在极尖区附近发生;（2）FTEs通量管形成初期内外总压差和磁箍缩应力不一定平衡,达到平衡有一发展过程;（3）FTEs通量管截面在L M平面内的线度约为1.89RE;（4）FTEs通量管中等离子体主要沿轴向场方向流动,整个通量管以慢于背景等离子体的速度沿磁层顶向南向尾运动;（5）FTEs通量管中不仅有轴向电流,也存在环向电流. 轴向电流基本沿轴向磁场方向流动. 轴向和环向电流在管内均呈体分布,因而轴向电流产生的环向磁场接近管心时不断减小到零,而环向电流生成的轴向场则不断增大到极值;（6）在通量管的磁鞘部分观测到磁层能量粒子流量的增强,这表明通量管通过磁层顶将磁鞘和磁层内部连通起来了.     

火星弓激波上游高能拾起氧离子实例分析

火星外逸层中的氧原子(O)经光致电离、电荷交换或电子碰撞产生氧离子(O+), 新生O+随即被太阳风拾起, 进而被对流电场加速.这些O+被称为"拾起"O+.2018年11月17日08∶54∶00—10∶24∶00 UT期间, 火星大气和挥发物演化任务(Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN, MAVEN)卫星从上游太阳风进入磁鞘中, 持续观测到背离太阳运动的高能拾起O+(约30 keV), 在相空间呈现为初速度不为零的部分环分布.分析表明: 这部分高能O+的初始能量较高, 回旋半径较大, 位于摆线运动的高能区域, 穿越火星弓激波进入磁鞘, 离子在该范围内能量变化不显著, 只是使得相应环分布在穿越弓激波后发生偏转.这些结果有助于进一步认识火星空间高能拾起O+的产生与运动轨迹.     

近地磁尾方位角流能量转换过程

高速流是磁尾等离子体片中质量、能量和磁通量最重要的输运形式.高速流在地向运动到近地磁尾后流速会降低,主导方向也经常转为晨昏方向.在等离子体流速及其主导分量、密度和温度等宏观参数变化的过程中,可能伴随有不同类型的能量转换.为此,我们分析近地磁尾方位角流事件期间的能量转换过程.基于整体流速的主导分量为晨昏向,及事件期间的平均温度比其前后增强的选取原则,从2008—2020年期间THEMIS中的三颗卫星（THA,THD,THE）运行在磁尾时的观测数据中,共筛选出821个平均温度比其前/后（事件之前或事件之后10 min）升高的方位角流事件.2011年5月16日的方位角流事例研究发现：能量超过1 keV尤其是超过10 keV的高能离子通量增加,可导致低速低温等离子体的密度、温度和流速增加;磁场减小及磁场功率谱密度的分析表明等离子体和磁能的转换发生在频率为0.01~0.334 Hz的低频波动,仅1%能量耗散.统计给出方位角流事件的平均温度约为3.7 keV,比其前后增加的幅度大部分集中在100~1000 eV.事件期间的平均数密度可能升高或者降低,二者概率大致相当.约96%的平均温度和密度同时大于其前后的方位角流事件,当地等离子体通量管熵也皆大于事件的前后值;电磁能流密度增大,34%的事件期间电磁能流密度主要沿着背景磁力线方向,可影响电离层内方位角方向上的极光膨胀过程.我们的研究结果表明温度和密度同时增加的方位角流事件等离子体宏观参数变化可能暗含磁层-电离层能量耦合过程,有助于理解极光椭圆带赤道向边界的局部增亮现象和磁尾等离子体片中的磁通量.

     

电离层上行O+离子沿不同经度处的磁力线向磁层的传输

根据解析求解引导中心近似的动力学方程得到的离子分布函数 ,研究了不同Kp指数条件下起源于不同电离层区域的上行O+离子通量密度沿不同经度处的磁力线的定态分布 ,并研究了上行O+离子向不同磁层区域传输的特性 .主要结果为 :（ 1 ）起源于向阳面极光带外侧及更低纬区的电离层离子基本上传输到向阳面磁层区 ;起源于背阳面极光带及更低纬区的电离层离子基本上传输到背阳面磁尾等离子体片区和闭合磁力线区 ;起源于极盖区及向阳面极光带内侧的电离层离子基本上传输到等离子体幔区和磁瓣区 .（ 2 ）上行离子主要分布在近地空间 ,其通量密度相对于地心距离呈负梯度 .（ 3）地磁活动指数Kp 增高时上行离子进入磁层的概率增大 ,因而上行离子起动力学作用的地球空间范围增大 .所得结果可解释有关地顶的观测特征 ,理论估算的上行离子在磁尾的通量密度与观测结果相符合.     

暴时等离子体层顶密度不规则结构对SAR弧的调制

SAR弧的磁层源区对应环电流与等离子体层顶重叠区域, 而等离子体层顶常常观测到密度不规则结构.之前还没有暴时等离子体层顶密度不规则结构对SAR弧调制的观测报道.本文报道了地基成像和磁层、电离层卫星对2013年10月9日磁暴恢复相期间发生的SAR弧的联合观测事件.在SAR弧的磁层源区, Van Allen Probe B卫星观测到了密度不规则结构, 其中存在EMIC波、环电流离子分布和非线性电场结构.联合观测表明: 该区域中的环电流离子分布通过库伦碰撞产生的热流通量足以驱动SAR弧, 热流通量受到密度不规则结构的调制, 形成空间上的小尺度分布, 环电流离子中几keV的质子和几十keV的氧离子对这个过程起主导作用; 此外, 位于等离子体层顶密度不规则结构的低密度区的非线性结构电场引起的低能电子沉降可能是造成这次SAR弧非常明亮的原因.

     

电离层上行O+离子沿不同经度处的磁力线向磁层的传输

根据解析求解引导中心近似的动力学方程得到的离子分布函数 ,研究了不同Kp指数条件下起源于不同电离层区域的上行O⁺离子通量密度沿不同经度处的磁力线的定态分布 ,并研究了上行O⁺离子向不同磁层区域传输的特性 .主要结果为 :（ 1 ）起源于向阳面极光带外侧及更低纬区的电离层离子基本上传输到向阳面磁层区 ;起源于背阳面极光带及更低纬区的电离层离子基本上传输到背阳面磁尾等离子体片区和闭合磁力线区 ;起源于极盖区及向阳面极光带内侧的电离层离子基本上传输到等离子体幔区和磁瓣区 .（ 2 ）上行离子主要分布在近地空间 ,其通量密度相对于地心距离呈负梯度 .（ 3）地磁活动指数Kp 增高时上行离子进入磁层的概率增大 ,因而上行离子起动力学作用的地球空间范围增大 .所得结果可解释有关地顶的观测特征 ,理论估算的上行离子在磁尾的通量密度与观测结果相符合.     

Cluster探测到磁尾等离子体注入的特征

利用Cluster卫星2001～2004年磁尾运行期间RAPID仪器的数据,确定了115例磁尾等离子体注入事件,借助时序叠加法统计研究磁尾等离子体注入现象的特征.注入事件主要分布于磁地方时夜晚20时至凌晨04时.与同步轨道区观测到的粒子注入事件类似,可以将磁尾粒子注入事件分成五类：（1）只有离子注入;（2）离子先于电子注入;（3）离子和电子同时注入;（4）电子先于离子注入;（5）只有电子注入.磁尾粒子注入时,质子（能量范围0～40 keV）的温度和数密度同时显著增加,沿地球径向的传播速度也明显增大.统计分析磁尾注入期间同时观测到的晨昏对流电场,发现电场可分为两类：（A）注入后电场突然增大,电场强度为正;（B）注入后电场突然增大,电场强度为负.利用磁层磁场（T89c）和电场（Volland-Stern）模型模拟粒子注入后赤道面的电漂移速度矢量,模拟结果与统计结果基本一致,表明晨昏对流电场引起的电漂移是驱动磁尾（-18R_EE）等离子体沿地球径向注入的机制之一.     

地球磁尾不同位置处高速流的统计特性研究

使用2007~2011年THEMIS卫星数据,对位于地球磁尾(|YGSM|13RE,|ZGSM|5RE,–30REXGSM–6RE)等离子体片内的高速流及背景的等离子体特性和它们与太阳风参数之间的联系进行了统计研究.我们发现,距离地球越近,高速流温度的增加相较于其背景要更强一些;高速流与背景的离子数密度比值和离子温度比值也都有所升高;而我们的统计进一步表明,高速流密度与其发生前2 h的太阳风密度相关性最高,背景密度与其观测时刻前3.5 h的太阳风密度相关性最高,且二者的归一化密度(密度与太阳风密度之比)均与其前3 h的行星际磁场θ角(θ=arctan(Bz/sqrt(Bx2+By2)))相关性程度最大.行星际磁场越倾向于北向,高速流归一化密度越大,与磁尾背景等离子体的性质相似.     

The INTERBALL-Tail ELECTRON experiment: initial results on the low-latitude boundary layer of the dawn magnetosphere

The Toulouse electron spectrometer flown on the Russian project INTERBALL-Tail performs electron measurements from 10 to 26 000 eV over a 4 solid angle in a satellite rotation period. The INTERBALL-Tail probe was launched on 3 August 1995 together with a subsatellite into a 65° inclination orbit with an apogee of about 30 R_E. The INTERBALL mission also includes a polar spacecraft launched in August 1996 for correlated studies of the outer magnetosphere and of the auroral regions. We present new observations concerning the low-latitude boundary layers (LLBL) of the magnetosphere obtained near the dawn magnetic meridian. LLBL are encountered at the interface between two plasma regimes, the magnetosheath and the dayside extension of the plasma sheet. Unexpectedly, the radial extent of the region where LLBL electrons can be sporadically detected as plasma clouds can reach up to 5 R_E inside the magnetopause. The LLBL core electrons have an average energy of the order of 100 eV and are systematically field-aligned and counterstreaming. As a trend, the temperature of the LLBL electrons increases with decreasing distance to Earth. Along the satellite orbit, the apparent time of occurrence of LLBL electrons can vary from about 5 to 20 min from one pass to another. An initial first comparison between electron-and magnetic-field measurements indicates that the LLBL clouds coincide with a strong increase in the magnetic field (by up to a factor of 2). The resulting strong magnetic field gradient can explain why the plasma-sheet electron flux in the keV range is strongly depressed in LLBL occurrence regions (up to a factor of 10). We also show that LLBL electron encounters are related to field-aligned current structures and that wide LLBL correspond to northward interplanetary magnetic field. Evidence for LLBL/plasma-sheet electron leakage into the magnetosheath during southward IMF is also presented.     

涡旋诱发重联模型(Ⅰ)——动力学特性

本文首先从理论上系统地研究了涡旋诱发重联的基本动力学特性.包括:涡旋诱发重联的物理机制;Kelvin—Helmholtz(K-H)不稳定性和撕裂模不稳定性耦合过程;磁流体涡管的基本特性;不同尺度涡旋间的相互作用,动能和磁能间的转化及准稳态时流线、磁力线、等涡度线和等电流密度线的相似性等.用二维MHD数值模拟方法研究了上述一些特性,并与理论分析结论进行了比较.结果表明,模拟结果证实了理论推论.涡旋诱发重联是产生局部磁场重联的重要机制之一,该模型在磁顶区的应用将另文发表.     

Particle energy fluxes in an unstable plasma with vortex structures in an inhomogeneous geomagnetic field in the topside ionosphere

Plasma inhomogeneities extending along geomagnetic field lines in the ionosphere and magnetosphere can have a vortex structure. Electromagnetic waves can propagate in plasma inhomogeneities in the waveguide channel mode. It has been indicated that energy and particle fluxes related to the development of small-scale electrostatic turbulence in a magnetized plasma with an unstable electron component promotes an increase in plasma density gradients in the walls of waveguide channels and an enhancement in plasma vortices. At low L shells in the region of the geomagnetic equator, the development of plasma electrostatic instability and the damping of drifting plasma vortices in the inhomogeneous geomagnetic field in the topside ionosphere can be the main mechanism by which large-scale (∼1000 km) regions with a decreased plasma density are formed.     

涡旋诱发重联模型（Ⅰ）——动力学特性

本文首先从理论上系统地研究了涡旋诱发重联的基本动力学特性.包括:涡旋诱发重联的物理机制;Kelvin—Helmholtz（K-H）不稳定性和撕裂模不稳定性耦合过程;磁流体涡管的基本特性;不同尺度涡旋间的相互作用,动能和磁能间的转化及准稳态时流线、磁力线、等涡度线和等电流密度线的相似性等.用二维MHD数值模拟方法研究了上述一些特性,并与理论分析结论进行了比较.结果表明,模拟结果证实了理论推论.涡旋诱发重联是产生局部磁场重联的重要机制之一,该模型在磁顶区的应用将另文发表.     

涡旋诱发重联模型（Ⅰ）——动力学特性

本文首先从理论上系统地研究了涡旋诱发重联的基本动力学特性.包括:涡旋诱发重联的物理机制;Kelvin-Helmholtz（K-H）不稳定性和撕裂模不稳定性耦合过程;磁流体涡管的基本特性;不同尺度涡旋间的相互作用,动能和磁能间的转化及准稳态时流线、磁力线、等涡度线和等电流密度线的相似性等.用二维MHD数值模拟方法研究了上述一些特性,并与理论分析结论进行了比较.结果表明,模拟结果证实了理论推论.涡旋诱发重联是产生局部磁场重联的重要机制之一,该模型在磁顶区的应用将另文发表.     

2008年1月5日磁层亚暴期间磁尾近地重联事件的THEMIS观测与分析

本文主要应用THEMIS卫星的磁场和等离子体流观测数据,分析了2008年1月5日08∶51~08∶57 UT亚暴膨胀相期间磁尾的一个近地重联事件.在亚暴膨胀相期间,地面的全天空成像仪清楚地记录到了极光的极向扩展,THEMIS的P5卫星在地球同步轨道附近观测到了磁场的偶极化现象.在亚暴膨胀相末期的08∶51~08∶57 UT期间,P3(X_GSM~-9.12R_E) 和P4 (X_GSM ~-9.40R_E) 同时观测到了一对方向相反的高速等离子体流.这对方向相反的高速等离子体流是由磁尾的重联现象所引起.重联的位置被估计位于X_GSM ~-9.12R_E 和X_GSM~-9.40R_E之间较小的空间范围内.并且,在重联位置的两侧,重联的Hall效应被P3和P4两颗卫星观测到.因此,这一磁尾重联事件发生在距离地球非常近的空间范围内.     

磁暴期间亚极光区极化流（SAPS）的DMSP观测与RAM模拟的比较研究

亚极光区极化流（Subauroral Polarization Streams, SAPS）为快速流动的西向等离子体流,位于昏侧-子夜前亚极光区,是磁层-电离层-热层耦合的重要过程之一.本文利用密西根大学的RAM （Ring current-Atmosphere Interaction Model）模型对一次典型磁暴期间发生的SAPS事件进行了模拟,并与DMSP卫星观测值进行了比较.结果表明：模拟结果能大致反映观测现象;模拟得到的SAPS峰值速度所在纬度随磁暴时间的变化与观测值有较大差别;SAPS速度观测值在约18∶00 UT和约20∶00 UT左右出现两个峰值,而模拟值只有一个峰值,出现在约18∶00 UT,主要原因是模型对亚暴过程的模拟存在不足.     

Amplitude–frequency characteristics of ion–cyclotron and whistler-mode waves from Van Allen Probes data

Using two-hour (from 2300 UT January 25, 2013 to 0100 UT January 26, 2013) measurement data from Van Allen Probes on fluxes of energetic particles, cold plasma density, and magnetic field magnitude, we have calculated the local growth rate of electromagnetic ion–cyclotron and whistler-mode waves for field-aligned propagation. The results of these calculations have been compared with wave spectra observed by the same Van Allen Probe spacecraft. The time intervals when the calculated wave increments are sufficiently large, and the frequency ranges corresponding to the enhancement peak agree with the frequency–time characteristics of observed electromagnetic waves. We have analyzed the influence of variations in the density and ionic composition of cold plasma, fluxes of energetic particles, and their pitch-angle distribution on the wave generation. The ducted propagation of waves plays an important role in their generation during the given event. The chorus VLF emissions observed in this event cannot be explained by kinetic cyclotron instability, and their generation requires much sharper changes (“steps”) for velocity distributions than those measured by energetic particle detectors on Van Allen Probes satellites.