中磁尾重联触发亚暴的单事例分析

磁层亚暴的发生与近磁尾（约6～8 R_E）电流片中断和中磁尾（约20～30 R_E）磁场重联密切相关,而极光的极向扩展、电流片中断和磁尾重联的时序过程对于认识亚暴的触发机制至关重要. 本文利用位于中磁尾的CLUSTER卫星,同步轨道附近LANL-01、LANL-97卫星,近磁尾POLAR和 极区IMAGE卫星的观测,分析了单个亚暴事例.结果表明,在此事件中,中磁尾磁场重联起始比近尾电流片中断早3 min发生,电流片中断发生4 min后,IMAGE卫星观测到极光增亮,同时AE指数突然增大,亚暴膨胀相起始. 观测结果与亚暴中性线模型较为吻合.     

伴随着高速流的磁尾电流片拍动观测研究

磁尾电流片在磁尾动力学过程中起着重要作用.卫星观测表明磁尾电流片经常处于拍动状态.但磁尾电流片拍动的特性和产生机制至今仍然没有被完全弄清楚.本文主要利用欧洲空间局Cluster卫星数据,研究一个伴随高速离子流的电流片拍动事件.该电流片拍动事件具有很强的周期性.拍动的周期约是2min,磁场振荡幅度约为20nT.能量电子和离子的通量具有周期性增强和减弱的特征.电流密度X和Y分量也具有周期性的振荡,并且振荡周期与磁场振荡周期一致.通过对粒子流速矢量与电流矢量的分析,发现粒子运动具有涡旋的特征.因此可以推断,该磁尾电流片的拍动不是由磁尾等离子体片高速流产生的,而是与局地等离子体不稳定性有关.     

一次磁层亚暴期间磁场偶极化的尾向传播

利用TC1、Cluster和Polar结合极光和同步高度及地磁的观测,研究了2004年9月14日1730～1930 UT时间段的亚暴偶极化过程.此前行星际磁场持续南向几个小时.亚暴初发(Onset)开始于1823 UT.2 min之后,同步高度的LANL 02A在子夜附近观测到了明显的能量电子增强（Injection）事件,而TC1在1827UT左右在磁尾(-10,-2, 0)RE (GSE)观测到了磁场BX的突然下降,伴随着等离子体压强和温度的突然增加及磁场的强烈扰动.在(-16, 1, 3)RE (GSE) 的Cluster上相同的仪器观测到相同的现象,只是比TC1观测到的晚大约23 min,在1850 UT左右.虽然Polar在更靠近地球的较高纬度(-75, 35, -40)RE (GSE)附近,也在1855 UT左右观测到了这种磁场偶极化现象.以上的观测时序表明TC1、Cluster观测到的磁场偶极化比亚暴偶极化初始发生分别晚4 min和27 min.说明偶极化由近磁尾向中磁尾传播.详细计算表明偶极化源区的位置大约在X=-77RE～-86RE,而传播速度大约为70 km·s-1.在这个事件中亚暴的物理图像可能是中磁尾的近地重联产生的地向高速流到达近磁尾,为近磁尾的亚暴触发创造了条件;亚暴在近磁尾触发之后,磁场偶极化峰面向中磁尾传播.     

TC-1卫星在近地磁尾观测到的持续尾向流、等离子体片变薄和偶极化过程

2004年7月14日TC-1卫星在近地磁尾(-9.3Re,-5.4Re,1.2Re)附近观测到了伴随有持续尾向流的等离体片变薄和偶极化过程.尾向流持续时间为32分钟.偶极化过程中磁场By分量没有明显变化.在偶极化过程发生两分钟之后,地面台站观测到的Pi2脉动.ACE卫星的观测表明行星际磁场有弱的南向行星际磁场（-2nT）,持续时间约55分钟.Imagine卫星在电离层区域没有观测到极光出现.和伴随有极光增亮的亚暴过程相比,南向行星际磁场明显较弱,且持续时间短.TC-1卫星和ACE卫星的联合观测表明尾部释能有大有小,并非达到某值才能发生.但能量小时,不能够引起极光亚暴.其次南向行星际磁场有可能与近地磁尾尾向流有密切关系.     

地球磁层里磁泡的跨尾尺度研究

爆发流(Busty Bulk Flows)事件是发生在地球磁层里的等离子体输运现象,磁泡模型能很好地解释这一过程.现有的理论和观测事实已给出了对磁泡在跨尾方向上的尺度以及其他重要的物理参数的估计,但由于观测手段的限制这些参数并不十分精确,而只是个数值域.本文从最新的Tsyganenko磁层模型出发,利用磁泡在极光区根部的位置参数和自编的磁力线跟踪程序,通过映射给出了对应的磁泡在磁赤道面跨尾方向上的尺度.计算结果与理论预计和观测事实相符.     

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.     

地球磁尾等离子体片磁洞的统计分析

本文利用THEMIS卫星的磁场数据和等离子体观测数据,统计分析地球磁尾等离子体片区域线性磁洞的发生率、时空尺度、分布特征、和发生率与地磁AE指数的相关性.分析结果表明磁尾等离子体片区域的磁洞的时间尺度为几秒到几十秒,空间尺度小于当地的质子回旋半径.通过磁洞在空间的位置分布和卫星数据在空间的数据采样分布的对比,我们发现线性磁洞在等离子体片内经常发生,然而在磁尾等离子体片中的发生率要小于太阳风中磁洞的发生率.本文最后统计分析了磁洞发生和AE指数的相关性,结果表明磁洞可能与地磁活动有关系.     

亚暴膨胀相近磁尾位形不稳定性模型Ⅰ．近磁尾位形不稳定性

用单流体和双流体ＭＨＤ近似，研究了近磁尾位形不稳定性（ＮＥＴＣ）．分析表明，ＮＥＴＣ可能存在两种漂移不稳定情况Ｃ１和Ｃ２与卫星观测资料对比显示，Ｃ２较容易在亚暴膨胀相前夕出现，它可以解释亚暴膨胀相期间磁场和等离子体扰动的特征周期、尾向传播速度、磁场扰动和等离子体压强扰动之间的位相关系，场向电流的周期性结构，西向涌浪头部的电子沉降和极光隆起等观测特性和现象．薄电流片的极端情况（Ｒｃ≈ｒｉ）不在本文的讨论范围之内．     

亚暴膨胀相近磁尾位形不稳定性模型Ⅰ．近磁尾位形不稳定性

用单流体和双流体ＭＨＤ近似，研究了近磁尾位形不稳定性（ＮＥＴＣ）．分析表明，ＮＥＴＣ可能存在两种漂移不稳定情况Ｃ１和Ｃ２与卫星观测资料对比显示，Ｃ２较容易在亚暴膨胀相前夕出现，它可以解释亚暴膨胀相期间磁场和等离子体扰动的特征周期、尾向传播速度、磁场扰动和等离子体压强扰动之间的位相关系，场向电流的周期性结构，西向涌浪头部的电子沉降和极光隆起等观测特性和现象．薄电流片的极端情况（Ｒｃ≈ｒｉ）不在本文的讨论范围之内．     

木星极光区亮斑形成机制

近年来一系列的木星照片显示,除了主极光卵和卫星足迹外,在极光卵内还有极区发射.学者基本认为这是由中磁尾的磁场活动引起的.本文建立一个具有离心力效应的木星稳态磁场模型.并以该模型给出的磁场结果为基础,利用Hill等人1979年总结的木星磁层较差自转的结果进行模拟分析.结果显示在约54R_j (R_j为木星平均半径) 至60R_j的木星磁场由于较差自转形成涡旋结构,其形状约为5R_j的圆形.由于磁力线的扭曲引发大小为数十万安培的电流注入极区电离层,与中性粒子相互作用,从而形成极光卵内的亮斑.     

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.     

伴随2000年9月30日sawtooth事件地磁变化和电流楔特征研究

为了解极光电集流在sawtooth事件期间的响应情形,本文利用北半球高纬地磁台站的磁场数据,建立了以球元基本电流系反演法求得大尺度电离层水平等效电流系分布的方法,以此研究了2000年9月30日同步轨道LANL卫星观测到的sawtooth事件期间极光电集流的变化.本文将sawtooth注入事件后极区电离层夜侧西向电集流增长的特征,与中低纬地基磁场北向分量正弯扰的特征做比较分析.两者的观测结果都表明在本sawtooth注入事件期间有电流楔的形成,且电流楔约有11 h磁地方时(MLT)的宽度.此外,中低纬磁弯扰达到最大扰动值的时间一般比高纬电集流达到最大扰动值的时间长,说明影响中低纬磁弯扰变化的电流源较丰富.     

基于MESSEGER观测对水星磁尾电流片磁场分布的统计研究

本文利用信使号飞船2011-2015年期间在轨磁场数据对水星磁尾电流片的磁场结构分布特征进行了统计分析.为探究磁场结构分布随水星径向距离的变化,电流片划分为近磁尾（-1.5R_M > X > -2.0R_M）和远磁尾（-2.0R_M > X > -2.5R_M）两个区域.所得结果表明：（1）无论是近磁尾还是远磁尾,电流片中的磁场都以+B_z分量为主,磁场方向几乎与磁赤道面垂直.（2）相比近磁尾,远磁尾电流片中磁场强度、B_z分量较弱,B_y分量较强,而且-B_z信号出现概率相对较大,这表明电流片中磁活动相对容易在远磁尾中发生.（3）磁场强度以及B_z分量在晨昏方向上的分布存在晨昏不对称性——在方位角120°~190°范围内相对较弱.弱B_z数据点（B_z<5 nT）也在昏侧（Y>0）发生较为频繁.（4）与B_z分布相反,磁场强B_y分量（|B_y|>5 nT）倾向于在晨侧（Y<0）发生.统计分析还表明,磁场B_y分量与行星际磁场B_y分量并无明显的相关性.对比地球磁尾电流片,我们对水星磁尾电流片B_z分量、强B_y分量的晨昏不对称起源机制作了探讨分析.     

磁场偶极化过程中磁尾离子加速:Ⅱ上行离子速度和能量的变化

根据采用动力学方程对亚暴期间磁尾磁场向偶极形弛豫过程中离子分布函数的模拟结果 ,研究了磁尾来自电离层的O+,H+和He+离子的速度及能量随时间的变化 .主要结果为 :（1 ）离子的加速及能量变化主要发生在磁场偶极化过程的中期 ,对应的地心距离位于- 1 2RE到 - 8RE 之间 ;（2 ）垂直于磁场方向上离子加速及能量变化较快 ,平行方向上较慢 ;（3）轻离子较重离子加速及能量变化快 ,磁场偶极化终结 ,3种离子的能量均可增加 2 0 0倍左右 ;（4）初始能量较高时 ,离子加速及能量变化较快 ,离子最终获得的能量较大 .理论计算的磁尾离子能量在磁场偶极化过程终了可达 1 0 2 keV的量级 ,这与观测结果一致 .     

磁暴期间环电流离子增长与磁尾离子注入的因果时序探测研究

TC-2卫星上的中性原子成像仪(NUADU)在2005年5月15日磁暴期间(并伴随有系列亚暴事件)记录了反映环电流离子连续变化的能量中性原子(ENA)图像探测数据.比较由中性原子图像反演的4 min时间分辨的环电流离子空间分布与地球同步轨道LANL系列卫星(环绕赤道面~6.6 RE)上同步轨道粒子分析仪(LANL-SOPA)原位离子通量探测数据,以及相同高度的同步系列卫星GOES的磁场数据,发现环电流区离子通量增长发生在磁力线尾向拉伸的亚暴增长相阶段,而不是发生在磁场偶极化之后.这一发现挑战了以往的环电流离子注入是磁场偶极化时由磁尾直接注入的概念,但仍需更多的观测实例进一步认证.     

2004年11月磁暴期间环电流的演化过程——TC-2卫星中性原子成像仪观测结果

本文通过对TC-2卫星上搭载的中性原子成像仪(NUADU)在2004年11月发生的一次大磁暴期间观测到的一系列中性原子(ENA)图像的分析,试图给出环电流在磁暴期间的演化模式.研究表明,南向的行星际磁场(IMF)分量在离子从磁尾向内磁层注入和随后的环电流增长过程中起着关键的作用.IMF转为北向后,离子注入随即很快停止.在离子注入增强期间,离子的漂移路径是开放的,以致大量环电流离子从黄昏侧注入后快速地损失在黄昏至正午的磁层顶.所以,环电流往往在离子漂移路径从开放变为封闭后才达到最大强度,而不是在这之前,尽管那时的离子注入强度更大.在该磁暴主相期间,离子注入发生在17∶00~22∶00 LT范围内,形成极其不对称的环电流分布形态.而在恢复相期间,由于受大的IMF B_y分量的影响,离子注入区的地方时分布范围东向扩张.对称环电流在磁尾对流减小、离子漂移路径变为封闭形态之后形成.在磁暴恢复相后期,从ENA图像看环电流基本衰减到平静时期的水平,而Dst指数仍然显示较强的磁扰动,这说明越尾电流对Dst指数有很重要的影响.     

晨昏起伏电场对中性片离子的随机加热

本文从哈密顿原理出发,讨论磁尾中性片中粒子受晨昏起伏电场的影响问题,并把它归结于讨论标准映射的性质.中性片本身是非线性系统,外加起伏场会导致其进入混沌状态.本文计算了进入该状态的临界电场E_c以及不同E下的粒子轨迹.计算表明,观测到的晨昏电场可以使离子进入混沌状态,但远小于电子的临界场值.这样离子运动是随机的,电子运动是规则的.仅对离子的随机加热可能是导致中性片中离子温度高于电子温度的原因.     

利用GS流场重构方法研究磁尾等离子体片涡流

2000年9月30日Geotail卫星分别于17∶54∶36~18∶09∶00UT和18∶59∶00~19∶30∶00UT在磁尾晨侧等离子体片内(n≈0.4 cm^-3,T≈6 keV)观测到等离子体涡流事件.本文采用Grad-Shafranov (GS)流场重构技术再现了这些涡流的二维速度场、离子数密度和离子温度的分布图像.结果显示:从地心太阳磁层坐标系(GSM)赤道面上面看, 涡流的尺度约为5000 km×1400 km , 朝地球的运动速度约为15~25 km/s.所有5个涡流的旋转方向都为顺时针方向,旋转周期约为6~11 min.相邻涡流的相互作用导致它们之间的磁场强度增强.考察观测数据发现,涡流内不仅包含等离子体片热等离子体成分,也包含较大通量的类似源自磁鞘的冷等离子体成分(T<1 keV).这与观测到涡流等离子体的平均温度(T≈4 keV)较磁尾等离子体片等离子体的典型温度(T≈6 keV)明显偏低的事实是一致的.不仅如此,离子数密度和温度在结构内的分布也不均匀,数密度在涡流内部偏离中心的位置比较低而在每个涡流的边缘位置比较高,温度的分布大体上与密度相反.分析认为观测到的磁尾等离子体涡流事件可能由发生在低纬边界层的Kelvin-Helmholtz不稳定性引起,涡流结构内的冷等离子体可能来自磁层顶外部的磁鞘.     

中近磁尾等离子体片统计特性研究

本文使用Cluster-C1卫星的CIS仪器和FGM仪器测量得到的质子通量数据和计算的β数据,判断Cluster卫星在地球磁尾不同位置位于等离子体片内的概率.使用2001—2004年7—11月的Cluster-C1数据,分别在行星际磁场南向和北向时,得出X-10RE区域内卫星位于等离子体片的概率在Y-Dz平面的分布图(Dz是卫星到中性片的距离).通过对比行星际磁场南向和北向时的卫星位于等离子体片的概率的分布图,我们发现等离子体片在行星际磁场南向时比在行星际磁场北向时要薄,并且这个效应在磁尾晨昏两侧比在午夜附近明显,同时我们还发现等离子体片在晨侧比在昏侧厚.     

波粒相互作用导致环电流质子沉降的卫星共轭观测

波粒相互作用是环电流损失的重要机制之一,但波粒相互作用导致的环电流离子沉降而损失迄今为止缺乏直接的观测证据.基于磁层及电离层卫星的协同观测,本文报道了发生在2015年9月7日,由电磁离子回旋波(EMIC波)导致环电流质子沉降的共轭观测事件.在等离子体层的内边界,Van Allen Probe B卫星观测到,存在EMIC波的区域和不存在EMIC波的区域相比,离子通量的投掷角分布的各向异性变弱.我们将Van Allen Probe B卫星沿着磁力线投影到电离层高度,同时在该投影区域内DMSP 16卫星在亚极光区域观测到环电流质子沉降.而且,通过从理论上计算质子弹跳平均扩散系数,我们进一步证实观测的EMIC波确实能将环电流质子散射到损失锥中.本文的研究工作为EMIC波导致环电流质子沉降提供了直接的观测证据,揭示了环电流衰减的重要物理机制:EMIC波将环电流质子散射到损失锥中,从而沉降到低高度大气层中而损失.