高纬向阳侧磁层顶通量传输事件的特性研究——通量管轴线方位及运动分析

本文分析了2001年2月和3月期间Cluster Ⅱ穿越磁层顶前后的观测资料,检测到13个通量传输事件（FTEs）.用多颗卫星磁场测量资料的最小方差分析（MVAB）方法确定FTE的管轴方向（其中6个方向较可靠）.FTE管轴方向的分布和低纬处不同,在磁顶法线坐标系LMN中对M轴有较大偏离,比较靠近L轴.deHoffmann-Teller(HT)分析指出,13个FTEs都存在一个很好的HT参考系,表明它们以一个准稳的MHD结构运动.对垂直于管轴方向的运动分析表明FTEs并不一定和背景等离子体一起对流,它们可快于或慢于背景流,但FTEs的运动和背景流基本沿相同方向,其间可有一不大的夹角.在HT坐标系中,10个FTEs的等离子体速度接近零, 其他3个FTEs的等离子体速度约为局地Alfven波速的14%,都不符合Walen关系.其中北半球事件的Walen曲线为正斜率,南半球事件为负斜率,这说明等离子体沿磁力线（北半球顺着磁场,南半球逆着磁场）流向磁层.     

通量传输事件磁场的理论计算及其与观测的比较

根据涡旋诱发重联理论,对通量传输事件（FTEs）磁场分布特性作了计算.结果表明,卫星测到的FTEs的不同磁场分布形态,是取决于通量管的运动方向及卫星穿越通量管的部位.在北半球,当通量管由低纬向高纬（由南向北）直向运动时,不论卫星通过什么部位,绝大多数情况下观测到先正后负的Bx,变化（即正FTE）,个别部位观测到先负后正的Bx变化（即反FTE）;Bz是单峰分布形式,表现为V型、倒V型或是U型和倒U型.当通量管在x方向有正或负速度分量即斜向运动时,大部分部位测到的Bx呈不规则变化,Bz表现为双极分布.与61个FTEs的观测实例作了对比,理论计算与观测符合得较好.     

通量传输事件磁场的理论计算及其与观测的比较

根据涡旋诱发重联理论,对通量传输事件（FTEs）磁场分布特性作了计算.结果表明,卫星测到的FTEs的不同磁场分布形态,是取决于通量管的运动方向及卫星穿越通量管的部位.在北半球,当通量管由低纬向高纬（由南向北）直向运动时,不论卫星通过什么部位,绝大多数情况下观测到先正后负的B_x,变化（即正FTE）,个别部位观测到先负后正的B_x变化（即反FTE）;B_z是单峰分布形式,表现为V型、倒V型或是U型和倒U型.当通量管在x方向有正或负速度分量即斜向运动时,大部分部位测到的B_x呈不规则变化,B_z表现为双极分布.与61个FTEs的观测实例作了对比,理论计算与观测符合得较好.     

2004年3月18日高纬磁层顶多重通量管事件分析

2004-03-18 23:10～23:50 UT期间,“双星（Double Star）”探测一号卫星（TC-1）在向阳面磁层顶高纬晨侧由内向外穿越磁层顶,其时TC_1的GSM坐标为 (7.5RE, -5.5RE, -5.4RE), RE为地球半径.穿越过程中TC_1观测到了8个通量管和1个磁通量传输事件（FTEs）.在此期间Cluster星簇位于向阳面太阳风内,其GSM坐标为(18.0RE, -3.1RE, -6.2RE),其4颗卫星监测到行星际磁场（IMF）的BZ分量持续南向,BＹ有较大的负值.本文的研究表明：TC_1观测到的前7个通量管具有准周期重现性,周期大约是1～4 min,明显小于以前所观测到的FTEs的平均周期(8～11 min);所有的通量管都具有较强的核心场.本文分别使用最小方差分析法（MVA）和Grad_Shafranov反演方法（GSR）对通量管的轴向进行了分析和对比,发现所有的通量管主轴基本沿晨昏向,结果显示GSR方法在轴向分析上比MVA优越.本文使用GSR方法对通量管的磁场结构进行了分析,恢复出了通量管的磁场在卫星穿越面的结构图;此外,本文还对这次多重通量管事件进行了deHoffmann-Teller(HT)分析,结果表明,所有通量管大致朝南极方向运动,均来源于向日面低纬区域.这说明它们可能起源于向日面低纬区,由该区的磁场分量重联产生.     

2001年1月26日高纬磁层顶通量管事件的观测研究

2001年1月26日11:10～11:40UT, ClusterⅡ卫星簇位于午后高纬磁鞘边界层和磁鞘区,此 时行星际磁场Bz为南向. 本文对在此期间观测到的多次磁通量管事件作了详细的研究 ,获得一系列的新发现：（1）高纬磁鞘边界层磁通量管的出现具有准周期性,周期约为78s ,比目前已知的磁层顶向阳面FTE的平均周期（8～11min）小得多. （2）这些通量管都具有 强的核心磁场;其主轴多数在磁场最小变化方向,少数在中间变化方向,有些无法用PAA判 定其方向（需要用电流管PAA确定）,这与卫星穿越通量管的相对路径有关. （3）每个事件 都存在很好的HT参考系,在HT参考系中这些通量管是准定常态结构;所有通量管都沿磁层顶 表面运动,速度方向大体相同,都来自晨侧下方. 通量管的径向尺度为1～2RE, 与通 常的FTE通量管相当. （4）起源于磁层的强能离子大体上沿着管轴方向由磁层向磁鞘运动; 起源于太阳风的热等离子体沿管轴向磁层传输. 通量管为太阳风等离子体向磁层输运和磁层 粒子向行星际空间逃逸提供了通道. （5）每个通量管事件都伴随有晨昏电场的反转,该电 场为对流电场.     

亚暴事件中磁尾多重等离子体团的数值研究（Ⅰ）

GEOTAIL卫星于1994年1月15日亚暴期间,在深磁尾（x＝96RE）观测到多重等离子体团及与之相对应的高能离子爆,作者以宁静磁尾平衡位形为初态,考虑介质的可压缩性,数值研究亚暴期间磁尾动力学过程．计算结果展现了等离子体团间歇性形成及其运动发展过程．体现了强亚暴事件中储存于碰尾的能量,通过多重等离子体团的排放而逐渐释放的进程．数值结果还表明：持续施加于边界上的晨昏电场及由此引发的驱动重联是导致等离子体团准周期形成的主要因素．此外,作者还考察尾瓣内任一点磁场强度及其分量随时间的演化,它与行进压缩区（TCRs）的观测特征基本相符．     

亚暴事件中磁尾多重等离子体团的数值研究（Ⅰ）

GEOTAIL卫星于1994年1月15日亚暴期间，在深磁尾（x＝96R_E）观测到多重等离子体团及与之相对应的高能离子爆，作者以宁静磁尾平衡位形为初态，考虑介质的可压缩性，数值研究亚暴期间磁尾动力学过程．计算结果展现了等离子体团间歇性形成及其运动发展过程．体现了强亚暴事件中储存于碰尾的能量，通过多重等离子体团的排放而逐渐释放的进程．数值结果还表明：持续施加于边界上的晨昏电场及由此引发的驱动重联是导致等离子体团准周期形成的主要因素．此外，作者还考察尾瓣内任一点磁场强度及其分量随时间的演化，它与行进压缩区（TCRs）的观测特征基本相符．     

场向电流极性和密度异常事件统计研究

本文利用Swarm卫星2015-2016年高精度的磁场矢量数据,将晨昏地方时扇区高纬场向电流（Field-Aligned Currents,FACs）事件按极性和电流密度分为四类,并首次比较研究了四类FACs事件的时空分布特征及其影响因素,研究发现：极性正常事件（晨侧靠极侧电流元向下流入电离层,靠赤道侧电流元向上流出电离层,昏侧电流极性相反,即传统意义上的R1和R2 FACs）发生率约为70%,其中R1 FACs强于R2事件的发生率为R1 FACs弱于R2的3~5倍;极性异常事件（与传统的R1和R2 FACs流向相反,两片电流元定义为R1^*和R2^* FACs）发生率约占30%,其中R1^* < R2^*的发生率约为R1^* > R2^*的1.5~2.5倍.进一步分析发现极性正常事件主要发生在南向IMF B_z期间,与重联电场相关性较好,净电流密度随着重联电场和电离层电导率的增加而增加.其中R1 < R2事件通常位于IMF B_z北向偏转期间,与亚暴过程有关.同时,极性异常事件通常发生于北向IMF B_z期间.相对于极性正常事件,极性异常事件所处磁纬向极侧偏移4°.在北半球,晨侧R1^*>R2^*事件通常发生在IMF B_y < 0期间,昏侧事件主要发生在IMF B_y>0期间,而R1^* < R2^*事件所对应IMF B_y极性相反,南半球情形与北半球相反.

     

2004年2月11日Cluster卫星和CUTLASS雷达同时观测的磁通量传输事件

本文分析了2004年2月11日11:00～11:40 UT期间Cluster卫星簇的磁通门磁力计FGM）、等离子体电子及电流试验仪（PEACE）和CUTLASS 芬兰雷达对多个磁通量传输事件(FTEs)的同时观测. 在此期间,Cluster卫星簇位于北半球外极隙区附近,并于11:18 UT左右穿出磁层顶进入磁鞘,四颗卫星同时观测到了多个FTEs, 其出现具有准周期性,周期约为130 s. 利用Cluster四颗卫星的多点同时观测数据,采用最小方向微分法和时空微分方法,我们推断这些FTEs是尺度大小约为(0.87～1.81)RE的准二维结构,其运动方向为东北方向,与Cooling模型预测方向基本一致. CUTLASS芬兰雷达在相应的电离层区域观测到了明显的“极向运动雷达极光”结构,这些结构与Cluster卫星簇观测的FTEs有着很好的对应关系,它们是FTEs的雷达观测特征.     

磁通量浮现驱动磁场重联的数值研究

应用二维时变可压缩磁流体动力学数值模拟,研究了双极－单极磁场中由于磁通量浮现驱动的磁场重联过程．结果表明,双极场与单极场间磁力线的重联形成上升的冷而密的等离子体团,磁场演变成鞭状结构．向上运动的等离子体团到达其最大高度后将回落和弥散.等离子体团最大上升速度达０．１４ＶＡ,等离子体最大上升速度达０．２７ＶＡ,ＶＡ为下边界处的Ａｌｆｖｅｎ速度．随着磁通量浮现幅度的增大,等离子体上升速度增加,重联过程发展得较快．背景等离子体β１值（β１为等离子体压力与磁压之比）越小,等离子体团中密度增量越大．磁Ｌｕｎｄｑｕｉｓｔ数Ｓ在１０３－１０６之间的改变对等离子体的速度和密度增量影响并不明显．与电阻撕裂模不稳定性引起的自发重联相比,磁通量浮现会更有效地驱动双极－单极场中的磁场重联过程,寻致日冕Ｈα冲浪和Ｘ射线喷流的形成．     

磁场重联中的电子加速机制的数值模拟研究

在应用2.5维混合模拟方法研究Petschek模型磁场重联的基础上,考察了试验电子被加速的特征. 模拟结果表明,稳态的低频重联场能将少量试验电子加速到高能,电子的能谱为幂律谱,但总体分布函数未发生显著变化. 电子在整个加速过程中被束缚在低磁场的加速区内,由重联产生的感应电场Ey分量对其直接加速,根据加速时间和加速区域可以将这些电子分为两种情况：初始位于加速区和漂移到加速区被加速.     

Multiple Flux Rope Events at the High-Latitude Magnetopause: Cluster/Rapid Observation on 26 January, 2001

Cluster measurements of the cusp and high latitude magnetopause boundary on 26 January, 2001 confirm that the cusp is a dynamic region full of energetic charged particles and turbulence. An energetic ion layer at high-latitudes beyond and adjacent to the duskside magnetopause exists when the Interplanetary Magnetic Field (IMF) has a southward orientation. Multiple energetic ion flux bursts were observed in the energetic ion layer. Each energetic ion flux burst was closely related to a magnetic flux rope. The axes of the flux ropes lie in the direction pointing duskward/tailward and somewhat upward. An intense axis-aligned current flows inside the ropes, with the current density reaching ∼10⁻⁸ A/m². The main components of the energetic ions are protons, helium and CNO ions, which originate from the magnetosphere, flowing out into the magnetosheath along the axis of the flux ropes. The velocity of the magnetosheath thermal plasma relative to the deHoffman-Teller (DHT) frame is found to be basically along the axis of the flux ropes also, but towards the magnetosphere. These flux ropes seem to be produced somewhere away via magnetic reconnection and move at similar DHT velocities passing over the spacecraft. These observations further confirm that the high-latitude magnetopause boundary region plays an important role in the solar wind-magnetopause coupling.     

二维阵列线圈核磁共振地下水探测理论研究

核磁共振法(Magnetic Resonance Sounding, MRS)是一种直接探测地下水的地球物理方法,目前只能对水平层状的含水层进行一维测深,对于尺寸小于线圈直径的二维或三维含水构造成像时,其灵敏度和横向分辨率很低.本文从研究二维阵列线圈核磁共振地下水探测方式的可行性出发,推导了地面发射线圈产生的椭圆极化激发场和阵列接收线圈的核磁共振响应核函数的表达式,数值计算了二维阵列线圈测量方式的MRS信号初始振幅图像和探测灵敏度,通过与二维发射/接收同一线圈测量方式对比,得到结论如下:二维阵列线圈测量方式可直接确定地下含水构造的水平位置,但需更大的激发电流强度和接收灵敏度;当中浅层(2,以上三种分辨率均由仪器噪声水平所决定.通过实施增加接收线圈的数量和匝数、提高激发脉冲矩和接收灵敏度等改进措施,现有的仪器系统可用二维阵列线圈测量方式.本文提出的理论和方法,将促使二维阵列线圈核磁共振方法在地下暗河、喀斯特溶洞和堤坝渗漏等二维或三维含水构造快速探测方面得到应用.     

磁化率对大地电磁响应的影响研究

本文推导了物质的磁化率大于自由空间的情况下的二维大地电磁(MT)正演计算公式. 利用有限差分法实现了其正演计算,获得了电磁场的分布. 详细地讨论了磁化率对MT响应的影响,证实了磁化率主要影响磁场信号的同相分量,而对磁场信号的异相分量和电场信号的影响比较弱. 当磁化率κ≥0.01时,在某些低频点的视电阻率值可以增加5Ωｍ左右,并且随着磁化率增加,这种增加的幅度显著增大;而对阻抗相位的影响则非常小. 新的认识为高磁化率物质存在的地区观测到的MT数据解释提供一种新的研究思路.     

北京石景山工业区附近一个污染土壤剖面的磁学研究

对北京西郊石景山工业区附近的土壤剖面进行环境磁学研究,结合粒度、金属元素分析、磁学指标测试和多元统计分析,发现磁参数(χ,ARM,SIRM)与重金属元素(Mn,Cu,Fe,Pb,Zn,Al,Sr)含量呈同步垂向变化趋势.来源于工业区附近工业生产排放(钢铁厂、发电厂、水泥厂)的污染物是土壤剖面上部(0～3 cm)磁性和金属含量增强的主要原因,由富集在细粉砂和中粉砂的多畴磁铁矿主导了样品的磁性特征.3～10 cm重金属含量逐渐下降,土壤的磁性特征与上层相似,但磁性矿物含量降低,属于剖面中的迁移过渡阶段.10 cm以下,土壤基本未受到污染,磁性矿物和重金属含量都低,磁性颗粒大小变化稳定,基本代表了该地区土壤的自然背景.指标聚类和相关分析表明,土壤磁参数与重金属元素含量显著相关.结合模糊聚类分析,磁参数可用于追踪、识别工业污染物质在土壤剖面中的富集、迁移状态,揭示不同深度土壤的污染程度.     

公元849年内蒙古包头东地震地表破裂带及地震参数讨论a

史载公元849年10月20日,内蒙古河套地区发生大地震.对这次地震的震中位置、震级、烈度的认识目前存在较大分歧.作者在大青山山前断裂带活断层填图和古地震研究过程中,在大青山山前断裂中、西段,发现多处距今1000多年的地震形变遗迹;结合公元849年地震史料的进一步考证,表明大青山山前断裂带为公元849年地震的发震构造.宏观震中位置应在活动断裂变位量最大的包头铝厂至永富一带,地理坐标约为北纬40.4deg;,东经110.2deg;.震中烈度为Ⅹ度,震级为7.7.      

滇西实验场及邻区4级调制地震与中强地震的关系

利用1972年1月1日—2005年12月31日云南省地震遥测台网的地震正式目录,对正式目录中的中强以上地震进行了余震删除。利用已删除余震的正式目录,分析实验场及邻区4.0~4.5级调制地震与中强地震的关系,总结历史震例得到:实验场及邻区发生4.0~4.5级调制地震,其后发生中强以上地震的可能性为81%,平均间隔时间为9.6月,而且中强震发震地点与4.0~4.5级调制地震发震地点相关性较好,平均相隔距离为85 km。     

细粒碎屑岩的常温和低温磁组构:以秦岭造山带白垩纪徽成盆地为例

盆地内细粒沉积物的磁组构特征可以记录盆地发育演化的关键构造信息.然而,反转盆地内细粒沉积物的磁组构有何特征,其与盆地发育和反转变形有何关系,目前仍需要深入探索.针对这一问题,本文以东、西秦岭分界处的白垩纪徽成盆地为例,在野外构造观察的基础上,对该盆地内的细粒沉积岩,特别是同沉积断层附近的细粒沉积岩（包括生长地层）,开展了系统的岩石磁学、常温和低温磁组构研究.野外观察表明,徽成盆地白垩纪地层内发育了大量NNE走向的正断层,邻近断层的局部区域可见露头尺度的生长地层.盆地内细粒沉积物的磁化率值总体较低,岩石磁学实验表明,磁化率主要由顺磁性矿物控制,但也含有少量磁铁矿和赤铁矿等铁磁性矿物的贡献.常温和低温磁组构特征都表明,徽成盆地白垩纪地层内透入性的发育了NWW-SEE向的磁线理,与主要的（同沉积）正断层垂直或高角度相交,并显示出初始变形组构的特征,记录了盆地发育时以NWW-SEE向拉张为主的古应力信息.这一伸展应力场与控制徽成盆地发育的文县—太白断裂带呈锐夹角,表明断裂带在盆地发育时以左行走滑伸展为主.此外,与常温磁组构相比,低温磁组构显著提高了顺磁性组构的信号强度,突显了磁组构的优势方位,可以更为有效的反映岩石组构和应变信息.尽管徽成盆地白垩纪地层经历多期次构造变形,但其初始变形组构并未明显改造,为解析盆地构造属性提供了重要信息.