磁层亚暴与磁层暴（Ⅰ）:等效电网络模型及其相关分析

采用等效电网络模型,研究了太阳风直接驱动和装卸载相结合的磁层暴与磁层亚暴全球过程和有关电流系统的时间演化,并与观测资料作了比较.电网络中诸参数基于观测事实确定.     

磁层亚暴与磁层暴(Ⅰ):等效电网络模型及其相关分析

采用等效电网络模型,研究了太阳风直接驱动和装卸载相结合的磁层暴与磁层亚暴全球过程和有关电流系统的时间演化,并与观测资料作了比较.电网络中诸参数基于观测事实确定.     

基于NOAA/POES卫星观测的磁层相对论电子起源的初探

本文利用低高度极轨卫星NOAA/POES的观测数据,并结合ACE卫星和Polar卫星的观测结果,研究分析了磁层相对论电子的起源. NOAA/POES卫星对于不同地磁活动时期相对论电子的分布和起源进行了较为详细观测, 分析结果表明（1） 亚暴期间注入磁层的能量电子可以为与磁暴相关的磁层高能电子暴提供种子电子;（2）太阳质子事件期间太阳风中的能量电子也可以为磁层中的相对论电子提供所需要的源.     

水星磁层亚暴和磁暴

磁层亚暴和磁暴是太阳风—行星磁层耦合过程中发生的能量存储和爆发式释放现象,伴随着复杂的等离子体动力学,对磁层以及整个行星都具有强烈的影响.它们的发生不仅会通过粒子沉降引发绚丽多彩的极光,还可以通过电磁场影响人类以及其他生物的生产生活.对地球上的亚暴和磁暴现象的描述与研究至今已有近百年的历史,然而对其他行星上的亚暴以及磁...     

磁层相对论电子通量变化与磁暴/亚暴的关系

本文分析了1 AU处的行星际磁场、太阳风速度、Kp指数、Dst和AE的变化关系,以及它们和地球同步轨道附近相对论电子通量的变化关系.分析说明,当行星际磁场Bz分量出现南向扰动和太阳风速度增大超过500 km/s时,地球磁层中常常发生磁暴/亚暴活动.在磁暴主相期间,相对论电子(能量E≥1 MeV)通量下降;而在磁暴恢复相期间,相对论电子通量恢复上升.但是,只有在伴随有高强度（AE≥500 nT）的持续性亚暴活动的磁暴恢复相期间,相对论电子的通量才能增长到超过暴前通量值,且能量低于300 keV的亚暴电子的通量越高,相对论电子的通量越高,反之则越低.亚暴注入电子数的多少很大程度上决定了磁暴恢复相期间相对论电子数的多少,这说明亚暴活动注入能量低于300 keV的亚暴电子是磁层相对论电子的一个重要来源.     

Weimer电场模式在地球磁层内的特征

地球磁层中的电场是研究磁层物理的重要参数,目前常用的对流电场有均匀晨昏电场和投影电场.电离层电场可以看做磁层电场沿磁力线在电离层的投影,本文选取的电离层电场模型为Weimer(2001模式)电场.利用T96磁场模式,沿磁力线将电离层电场投影到磁层空间,得到一个新的磁层电场模式,并讨论了磁暴、行星际磁场(IMF)、太阳风参数和亚暴等对磁层电场的影响.利用该模型计算的电场结果与卫星探测结果相符.     

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     

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。     

地球磁层软X射线信号的辐射特性研究

太阳风-磁层耦合和地球空间的动力学过程是空间天气的基本驱动要素,在系统尺度上认知这些过程对于空间物理和空间天气的研究至关重要.太阳风电荷交换(solar wind charge exchange, SWCX)机制的提出,为磁层大尺度特性研究提供了一种全新的探测方式,即地球磁层的软X射线成像. SWCX发生在太阳风中的高价态重离子(例如C⁶⁺、N⁷⁺、O⁷⁺、O⁸⁺等)和中性原子或分子(例如地球空间中的中性氢原子,日球层中的中性氢原子和氦原子,彗星和其它行星上的水分子、CO₂等)发生碰撞时.太阳风离子得到一个或多个电子后进入激发态,随后在回到基态的过程中释放出一个或多个软X射线波段的光子.地球磁层的SWCX软X射线辐射主要发生在日侧的磁鞘和极尖区,因此利用软X射线大范围成像技术可以对磁层进行远距离全景成像,从而在大尺度上认知太阳风-磁层相互作用的基本模式.在此背景下,中欧联合空间科学卫星计划太阳风-磁层相互作用全景成像卫星(Solar wind Magnetosphere Ion...     

地球磁层顶的漂移动力学Alfvn波不稳定性及其反常输运效应

本文用回旋动力学研究了磁层顶等离子体低频漂移动力学不稳定性.在β≥1附近发现两支不稳定的漂移动力学Alfvèn模（DKA）.它们可在▽T（∥-▽n）≠0时激发,速度剪切提供主要的自由能源.两支DKA均具有非零的（δE_y,δE_∥）和（δB_x,δB_∥）.在湍动的非线性饱和状态下,δB_x的起伏可导致很强的反常输运,当|δB_x|=1nT时,D_⊥可达到10⁹m²/s的数量级.因此,DKA可能在太阳风-磁层耦合过程中起重要作用.     

磁层顶压缩事件的磁场分析

向日面磁层顶在平静太阳风条件下,处于10RE（RE为地球半径）左右．但在异常的太阳风条件下,即南向行星际磁场很强和（或）太阳风的动压很大时,会被压缩,甚至到达同步轨道附近．集中分析2001年4月11日的磁暴事件,研究当磁层顶发生强烈压缩以后。在地球空间和地面上产生的磁场影响．磁层顶位形选取Shue（1998）模型计算．当把计算结果与GOESl0卫星的观测数据对比时发现：磁层顶在强的太阳风条件下的确会被压缩到同步轨道以内．Shue（1998）模型的预测基本正确,通常的漏报可能是由于预报的位置误差所致．实际磁层顶电流片的位置和强度与我们假设的理想磁层顶间断面计算结果基本吻合．在分析大磁暴过程时,磁层顶压缩使磁层顶电流对于中低纬度地磁场扰动有突出的贡献,在2001年4月事件中,这个贡献可以大于50nT,占主相的1／6左右．这一贡献可以使Dst指数产生相应的误差．     

磁暴期间太阳风-磁层-电离层间的耦合过程

本文用行星际和地面磁场以及电离层资料,讨论了三次磁暴期间高、中纬电离层电场对太阳风和磁层内变化的响应。 分析表明,当IMF的B_x分量由北向转为南向时,太阳风驱动的磁层对流变化能直接反映出高纬电离层电位的变化。但持续南向的B_x再次增强时,太阳风输入的主要能量耗损于内磁层过程;电离层的响应表现为一个弛豫过程。当B_x由南转北时,环电流的消失对电离层的作用同样有弛豫的特点。此时,驱动电位已撤消,环电流是维持电离层电位的唯一外源。 本文用电路类比及简单模式法结论对上述几种实测情况进行了讨论。     

阿尔文涨落与地球磁层亚暴

本文讨论了一种地球磁层的亚暴机制。当行星际磁场有大的南向分量时,磁层的位形可由基本闭式转变为开式。磁鞘中的阿尔文波可以携带超过10~(18)尔格/秒的能流传入磁层尾部,并将能量耗散于等离子体片中。等离子体片中的粒子被加热和加速后,注入近地空间,产生环电流和极区亚暴。计算了剪切流场中阿尔文波的传播过程,以及磁层中阿尔文波的耗散。将本文的结算与[4]中的结果合在一起,可以说明当行星际磁场转向南时,容易发生地球磁层亚暴,但这两者并非一一对应的关系,行星际磁场没有南向分量时也可以发生地球磁层亚暴。     

太阳风动量涨落激发磁层亚暴的机制

本文将太阳风涨落传输能量产生磁层亚暴的机制推广到无碰撞等离子体过程。太阳风的涨落在磁层顶激发压缩阿尔文波,并在磁尾的无碰撞等离子体中传播。尾瓣中满足条件β?1,而等离子体片中β≥1,其中β为等离子体压力与磁压之比。这样,快磁声波在尾瓣中几乎不衰减,而在等离子体片中很快衰减,将波动能量耗散在等离子体片中使等离子体加热或者粒子加速。这种机制还表明,磁尾等离子体片中的高能粒子可以由太阳风涨落动能耗散而被加速,不一定是直接源于太阳。     

地球磁层对磁云边界层的大尺度响应分析——个例研究

主要分析了WIND飞船2004年11月9日探测的磁云边界层引起的大尺度地球磁层活动．磁层响应主要包括以下3个方面：（1）磁云边界层内本身持续较强南向磁场驱动了一个强磁暴的主相．（2）由于磁云边界层内部较强南向磁场持续一段时间后发生向北偏转触发了一个典型磁层亚暴．文中详细分析了亚暴膨胀相发生时夜侧磁层各区域的观测现象,包括极光观测、高纬地磁湾扰、地球同步轨道无色散粒子注入现荆、Pi2脉动突然增强以及等离子体片偶极化现象等．（3）磁云边界层和前面鞘区组成一个动压增强区,此动压增强区强烈压缩磁层,致使磁层顶进入地球同步轨道以内;当磁云边界层扫过磁层时,位于向阳侧地球同步轨道上的两颗GOES卫星大部分时间位于磁层磁鞘中,以致很长时间内直接暴露在太阳风中．利用Shue（1998）模型计算得到当磁云边界层扫过磁层时磁层顶日下点的位置被压缩至距地心最近距离为5．1RE,磁云边界层的强动压结构以及强间断面决定了磁云边界层对磁层的强压缩效应．强动压结构、多个强间断结构以及持续较长时间的强南向磁场是许多磁云边界层的共性,这里以此磁云边界层事件为例分析了磁云边界层的地球磁层响应．     

不考虑磁层顶磁重联的全球三维MHD模型

本文介绍了一个新的磁层全球三维MHD模型,该模型可通过把IMF和地球磁场分开处理的方法“关闭”磁层顶的磁重联,从而可直观地显示不同IMF条件下磁层顶的IMF与地磁场的反平行区域,即磁重联最可能发生的地方,结果表示,IMFBx分量对磁层顶磁重联有重要影响。由于可关闭磁重联,该模型还可有效地研究有无磁重联时,太阳风对磁层位形（如晨-昏不对称性）、粒子输运等重要问题的影响,有助于揭示磁层物理现象的基本特性。     

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.     

太阳风引起的地磁扰动的参数辨识

作为太阳风引起的地磁扰动的系统辨识一文的姊妹篇,本文利用参数系统辨识方法,对太阳风-磁层耦合系统做了进一步的探讨.根据地磁扰动机制的理论研究,地磁扰动被认为是太阳风能量耦合进入磁层以及由此引起的一系列磁层内能量的输运和耗散的结果.在此基础上,对太阳风-磁层系统的非线性情况进行了讨论,建立了D_st指数与太阳风参量的非线性函数关系,给出了由此得到的地磁扰动计算结果.同时还利用1967年2月3-12日和1980年12月16-23日的两次事件,对已得到的函数关系进行了验证和讨论.验证结果不仅对模型的合理性、普适性做了很好的说明,也表明这种非线性函数关系作为定量的地磁预报模型,具有一定的可信度和实用性.