2001年1月26日高纬磁层顶通量管事件的观测研究--空间电流密度计算及分析

讨论了三种根据Cluster Ⅱ四颗卫星的磁场测量数据计算空间电流的方法及其误差,论证了这几种方法的内在一致性,并得到了完全相同的计算结果. 进而依据Cluster Ⅱ 磁场探测资料,计算了2001年1月26日多重磁通量管和FTE事件中高纬磁层顶边界层和磁鞘区的电流密度. 结果表明,磁通量管内电流密度较大,可达到约10-8A/m2;计算精度较高,结果可靠. 本文还应用最小方差分析法（MVA）,发现电流方向与通量管的轴向基本一致;论证了电流MVA分析在研究通量管性质时的作用,同时提出了电流管的概念.     

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.     

磁层顶高纬边界层的瞬时重联过程

用二维可压缩的ＭＨＤ模型模拟研究了北半球背阳面磁层顶区的瞬时重联过程．结果表明,当行星际磁场（ＩＭＦ）具有南向Ｂｚ分量和背太阳向Ｂｘ分量时,ＩＭＦ与地磁场联接,磁层顶向外扩张,在等离子体幔区可形成流体旋涡,磁力线被扭曲,但不易形成磁涡旋;当ＩＭＦ具有北向Ｂｚ分量时,不论Ｂｘ分量是背向太阳或指向太阳,都可发生瞬时重联,而且当ＩＭＦＢｘ分量与地磁场Ｂｘ分量反向时,在等离子体幔区更易形成磁涡旋．这两种情况,在磁层顶边界层区都能产生多层的电流片．     

磁层顶高纬边界层的瞬时重联过程

用二维可压缩的ＭＨＤ模型模拟研究了北半球背阳面磁层顶区的瞬时重联过程．结果表明，当行星际磁场（ＩＭＦ）具有南向Ｂｚ分量和背太阳向Ｂｘ分量时，ＩＭＦ与地磁场联接，磁层顶向外扩张，在等离子体幔区可形成流体旋涡，磁力线被扭曲，但不易形成磁涡旋；当ＩＭＦ具有北向Ｂｚ分量时，不论Ｂｘ分量是背向太阳或指向太阳，都可发生瞬时重联，而且当ＩＭＦＢｘ分量与地磁场Ｂｘ分量反向时，在等离子体幔区更易形成磁涡旋．这两种情况，在磁层顶边界层区都能产生多层的电流片．     

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.     

IMF北向时磁层顶重联的模拟研究

本文基于自己开发的全球三维磁层模型,模拟研究了IMF(Interplanetary Magnetic Field)北向时磁层顶重联及磁尾结构.结果发现磁层顶附近存在两种典型的重联过程:一是高纬极尖区IMF与地球磁场的重联,这与空间观测证据和前人的模拟结果是一致的;二是重联后一端在太阳风中另一端与地球相连的磁力线在向磁尾运动中,会发生弯曲、拖曳,在磁尾晨昏侧低纬区域可与尾瓣开放磁力线满足重联条件而再次发生重联.我们认为前一重联会使磁尾等离子片产生与IMF时钟角方向相反的旋转;而后者可重新形成闭合磁力线,可能是LLBL(Low Latitude Boundary Layer)形成的重要原因.     

地球磁层顶湍动重联的数值模拟

用二维磁流体力学数值模拟研究了磁层顶的磁场湍动重联．提出了一个新的磁场湍动重联模型．数值模拟表明,如果磁层顶是一个开放系统并同时存在磁场剪切和流场剪切,当雷诺数和磁雷诺数超过某临界数值时,磁场重联具有很强的湍动特性,可产生许多不同尺度的磁岛和涡旋结构．随着雷诺数和磁雷诺数的增大和减小,大尺度结构能破碎成中小尺度结构,小尺度结构也能合并成大中尺度结构．湍动重联是涡旋诱发重联在一定条件下的过渡．依据本文的模拟结果,我们预言：磁层预可发生准定常重联、瞬时局地重联和湍动重联等多种重联过程;大中小不同尺度的结构都可以存在于磁层顶;湍动重联及其所产生的中小尺度结构在太阳风－磁层的能量、动量和质量耦合过程中可起重要作用．     

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.     

地球磁层顶湍动重联的数值模拟

用二维磁流体力学数值模拟研究了磁层顶的磁场湍动重联．提出了一个新的磁场湍动重联模型．数值模拟表明，如果磁层顶是一个开放系统并同时存在磁场剪切和流场剪切，当雷诺数和磁雷诺数超过某临界数值时，磁场重联具有很强的湍动特性，可产生许多不同尺度的磁岛和涡旋结构．随着雷诺数和磁雷诺数的增大和减小，大尺度结构能破碎成中小尺度结构，小尺度结构也能合并成大中尺度结构．湍动重联是涡旋诱发重联在一定条件下的过渡．依据本文的模拟结果，我们预言：磁层预可发生准定常重联、瞬时局地重联和湍动重联等多种重联过程；大中小不同尺度的结构都可以存在于磁层顶；湍动重联及其所产生的中小尺度结构在太阳风－磁层的能量、动量和质量耦合过程中可起重要作用．     

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.