南极中山站电离层漂移特性及其对行星际磁场的响应

利用南极中山站数字式电离层测高仪在１９９５年的观测数据和ＩＭＰ８卫星观测的行星际磁场数据进行分析,揭示了南极极隙区纬度的电离层漂移的主要特征：电离层漂移主要是水平方向的运动,并且具有大体一致的日变化模式,在当地时间正午附近存在着指向极点的漂移运动,在晚上时间存在着离开极点的漂移运动,显示出在极区存在着逆阳对流;行星际磁场的平径向分量Ｂｙ在影响极隙区纬度电离层漂移运动方面起着主寻作用。当Ｂｙ＜０时,指向极点的漂移运动入口处大约在ＣＧＬＴ的７：００一８：００之间,并且在ＣＧＬＴ的０点左右的漂移运动方向偏西;当Ｂｙ＞０时,指向极点的漂移运动人口处大约在ＣＧＬＴ的９：００－１０：００之间,并且在ＣＧＬＴ的０点左右的漂移运动方向偏东;南半球的等离子体对流图形大体上与北半球成镜面对称关系．     

日面方位磁场扰动和行星际磁场螺旋结构

文采用球坐标下2.5维理想MHD模型,对日球子午面内方位磁场扰动的传播进行数值模拟,重点分析它对行星际磁场螺旋角的影响. 本文认为,观测到的行星际磁场螺旋角大于Parker模型的预言值,是太阳表面不断向行星际发出同向方位磁场扰动的结果;太阳较差自转在太阳内部产生的方位磁场为这类扰动提供了源头. 模拟结果表明,采用持续时间等于周期的十分之一、扰动幅度为103nT量级的正向方位磁场扰动,就可使1 AU处行星际磁场的螺旋角增加2°左右,与有关观测结果相符. 模拟结果还表明,上述方位磁场扰动对日球子午面内的太阳风特性和磁场位形的影响基本上可以忽略.     

南极中山站电离层漂移特性及其对行星际磁场的响应

利用南极中山站数字式电离层测高仪在１９９５年的观测数据和ＩＭＰ８卫星观测的行星际磁场数据进行分析,揭示了南极极隙区纬度的电离层漂移的主要特征：电离层漂移主要是水平方向的运动,并且具有大体一致的日变化模式,在当地时间正午附近存在着指向极点的漂移运动,在晚上时间存在着离开极点的漂移运动,显示出在极区存在着逆阳对流;行星际磁场的平径向分量Ｂｙ在影响极隙区纬度电离层漂移运动方面起着主寻作用。当Ｂｙ＜０时,指向极点的漂移运动入口处大约在ＣＧＬＴ的７：００一８：００之间,并且在ＣＧＬＴ的０点左右的漂移运动方向偏西;当Ｂｙ＞０时,指向极点的漂移运动人口处大约在ＣＧＬＴ的９：００－１０：００之间,并且在ＣＧＬＴ的０点左右的漂移运动方向偏东;南半球的等离子体对流图形大体上与北半球成镜面对称关系．     

低高度极尖区位形的经验模式

地球极尖区是太阳风等离子体进入内磁层和电离层的一个重要“窗口”,但其总体结构长期以来尚未确定. 2008年3月8日两个连续亚暴期间,太阳风的整体变化范围较大,基于全球三维数值模拟我们建立了一个由行星际磁场(interplanetary magnetic field, IMF)B_Y、B_Z控制的低高度(1.1个地球半径高度)极尖区的预报模式.该模式由椭圆函数构造而成,拟合函数由极尖区位置和宽度控制并取决于IMF B_Y和B_Z.极尖区地磁纬度(geomagnetic latitude, MLAT)随着向北IMF B_Z的增加而增加,随着向南IMF B_Z的增加而明显降低.当B_Y=0时,磁地方时(magnetic local time, MLT)接近12,当IMF为东向(西向)时,极尖区中心将位于北半球下午(上午)侧. MLAT宽度随IMF B_Z从北转南而减小,MLT宽度随IMF B_Z从北转南而增大.通过...     

行星际扰动对地磁活动的影响

利用第23太阳活动周中WIND和ACE资料,统计分析行星际扰动对不同水平地磁活动的影响,研究磁暴强度与不同行星际参数之间的相关性,结果发现:①从长期来看,地磁活动指数Dst与太阳风速度的相关性最好,相关性在太阳活动谷年时最高;②多磁暴时序叠加结果证实了导致小、中、强磁暴开始的经验行星际南向磁场条件,磁暴过程中行星际磁场...     

运用三维运动学模型对行星际磁场南北分量的预测

提出一种可能产生行星际磁场南北分量扰动的物理机制,并将此物理机制运用于三维运动学模型,对原模型作了改进. 使用改进后的模型模拟研究了1997年5月12日06:30UT爆发的晕状(halo)日冕物质抛射(CME)事件对行星际磁场和等离子体的扰动,以及1978-1981年间17个与CME有关的行星际扰动事件. 在17个事件中有14个事件可准确预测出行星际磁场南北分量的方向,准确率为82%. 结果表明,模型计算出的行星际磁场南北分量的扰动方向与观测的方向是基本一致的.     

运用三维运动学模型对行星际磁场南北分量的预测

提出一种可能产生行星际磁场南北分量扰动的物理机制,并将此物理机制运用于三维运动学模型,对原模型作了改进. 使用改进后的模型模拟研究了1997年5月12日06:30UT爆发的晕状(halo)日冕物质抛射(CME)事件对行星际磁场和等离子体的扰动,以及1978-1981年间17个与CME有关的行星际扰动事件. 在17个事件中有14个事件可准确预测出行星际磁场南北分量的方向,准确率为82%. 结果表明,模型计算出的行星际磁场南北分量的扰动方向与观测的方向是基本一致的.     

午后极光强度与行星际磁场的相关

利用1997年和199年南极中山站多通道扫描光度计的地面观测数据和WIND卫星在弓激波上游对行星际磁场(IMF)的观测数据,对午后高纬极光强度与IMF各分量、以及时钟角之间的相关进行了定量研究. 统计表明,630nm的强度Ir随IMF Bx的增大而减小,其线性相关系数为-0.3;而557.7nm的变化趋势与此相反,其相关系数要低得多. 630nm的强度随IMF By的变化曲线为一"V"形结构,其谷底在By=-3nT附近;557.7nm的强度也有相似的变化趋势,其谷底的位置在By=-2nT附近. 极光强度随IMF Bz的变化曲线为一倒着的"Z"字形结构. 630nm的强度随IMF的模B的增大而增强,其线性相关系数达到0.9,而557.7nm与B之间的相关性要差得多. 极光强度随IMF时钟角的变化曲线为一倒"V"结构,其反转点在θ=130°附近.     

午后极光强度与行星际磁场的相关

利用1997年和199年南极中山站多通道扫描光度计的地面观测数据和WIND卫星在弓激波上游对行星际磁场(IMF)的观测数据,对午后高纬极光强度与IMF各分量、以及时钟角之间的相关进行了定量研究. 统计表明,630nm的强度Ir随IMF Bx的增大而减小,其线性相关系数为-0.3;而557.7nm的变化趋势与此相反,其相关系数要低得多. 630nm的强度随IMF By的变化曲线为一"V"形结构,其谷底在By=-3nT附近;557.7nm的强度也有相似的变化趋势,其谷底的位置在By=-2nT附近. 极光强度随IMF Bz的变化曲线为一倒着的"Z"字形结构. 630nm的强度随IMF的模B的增大而增强,其线性相关系数达到0.9,而557.7nm与B之间的相关性要差得多. 极光强度随IMF时钟角的变化曲线为一倒"V"结构,其反转点在θ=130°附近.     

Observations of a Unique Cusp Signature at Low and Mid Altitudes

Observations of a unique cusp feature at low and mid altitudes are reported. This feature has a consistent double-peaked or “V”-shaped structure at the equatorward edge of high-latitude particle precipitation flux, and is predominantly present for high IMF B_y conditions. The observations are consistent with the Crooker (‘A split separator line merging model of the dayside magnetopause’, J. Geophys. Res. 90 (1985) 12104, ‘Mapping the merging potential from the magnetopause to the ionosphere through the dayside cusp’, J. Geophys. Res. (1988) 93 7338.) antiparallel merging model, which predicts a narrow wedge-shaped cusp whose geometry depends greatly on the dawn/dusk component of the IMF. Various observations are presented at low altitudes (DE-2, Astrid-2, Munin, UARS, DMSP) and at mid altitudes (DE-1, Cluster) that suggest a highly coherent cusp feature that is consistent with the narrow, wedge-shaped cusp of Crooker (1988), and contains persistent wave signatures that are compatible with previously reported high-altitude measurements. A statistical survey of Astrid-2 and DMSP satellite data is also presented, which shows this feature to be persistent and dependent on the IMF angle at the magnetopause, as expected. Thus, the cusp signatures observed at a wide range of altitudes present a coherent picture that may be interpreted in terms of a footprint of the magnetopause current layer.     

行星际磁场B_y对弓激波影响的MHD结果

利用全球磁流体模拟的结果,本文研究了行星际磁场B_y对弓激波位型的影响.结果显示:随着行星际磁场B_y绝对值的增大,弓激波的日下点距离、旋转对称张角、南北非对称性以及旋转非对称性均随之增加.其中,B_y对弓激波日下点距离的影响可达5 RE左右.东向B_y和西向B_y对弓激波位型影响具有对称性,东向B_y和西向B_y大小相同时弓激波日下点距离、旋转对称张角以及旋转非对称性参数均相同,而南北非对称性参数大小相同正负相反.行星际磁场B_y占主导时弓激波尾部横截面在南北方向上拉伸,并且拉伸程度随着B_y绝对值的增大而增大,弓激波尾部横截面的拉伸现象与磁声波马赫数密切相关.     

Cluster Observes the High-Altitude CUSP Region

This paper gives an overview of Cluster observations in the high-altitude cusp region of the magnetosphere. The low and mid-altitude cusps have been extensively studied previously with a number of low-altitude satellites, but only little is known about the distant part of the magnetospheric cusps. During the spring-time, the trajectory of the Cluster fleet is well placed for dayside, high-altitude magnetosphere investigations due to its highly eccentric polar orbit. Wide coverage of the region has resulted and, depending on the magnetic dipole tilt and the solar wind conditions, the spacecraft are susceptible to encounter: the plasma mantle, the high-altitude cusp, the dayside magnetosphere (i.e. dayside plasma sheet) and the distant exterior cusp diamagnetic cavity. The spacecraft either exit into the magnetosheath through the dayside magnetopause or through the exterior cusp–magnetosheath interface. This paper is based on Cluster observations made during three high-altitude passes. These were chosen because they occurred during different solar wind conditions and different inter-spacecraft separations. In addition, the dynamic nature of the cusp allowed all the aforementioned regions to be sampled with different order, duration and characteristics. The analysis deals with observations of: (1) both spatial and temporal structures at high-altitudes in the cusp and plasma mantle, (2) signatures of possible steady reconnection, flux transfer events (FTE) and plasma transfer events (PTE), (3) intermittent cold (<100 eV) plasma acceleration associated with both plasma penetration and boundary motions, (4) energetic ions (5–40 keV) in the exterior cusp diamagnetic cavity and (5) the global structure of the exterior cusp and its direct interface with the magnetosheath. The analysis is primarily focused on ion and magnetic field measurements. By use of these recent multi-spacecraft Cluster observations we illustrate the current topics under debate pertaining to the solar wind–magnetosphere interaction, for which this region is known to be of major importance.     

Magnetopause stand-off distance in dependence on the magnetosheath and solar wind parameters

A model of the magnetosheath structure proposed in a recent paper from the authors is extended to estimate the magnetopause stand-off distance from solar wind data. For this purpose, the relationship of the magnetopause location to the magnetosheath and solar wind parameters is studied. It is shown that magnetopause erosion may be explained in terms of the magnetosheath magnetic field penetration into the magnetosphere. The coefficient of penetration (the ratio of the magnetospheric magnetic field depression to the intensity of the magnetosheath magnetic field B_mz = -B_m sin²/2, is estimated and found approximately to equal 1. It is shown that having combined a magnetosheath model presented in an earlier paper and the magnetosheath field penetration model presented in this paper, it is possible to predict the magnetopause stand-off distance from solar wind parameters.     

模拟IMF北向且By分量占主导时磁层顶重联

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)北向并且B_y分量较大(时钟角为60°)时磁层顶三维结构及其重联图像. 结果发现, IMF B_y为正时, 在北极隙区附近尾-昏侧存在IMF与地磁场之间稳定持续的重联现象;参与重联的地球磁场既有闭合磁力线也有开放磁力线;IMF在北极隙区与地球闭合磁力重联后一端与南磁极相连的磁力线在尾向运动时还可能与北尾瓣的开放磁力线重联而重新闭合, 这种重联与磁力线循环过程不同于同一条IMF磁力线分别在南北半球与地磁场重联的模型. 南极隙区的重联发生在尾-晨侧, 其动力学过程与北极隙区情形类似. 我们的模拟结果表明, IMF B_y较大时不可能发生IMF同一条磁力线分别在南北极隙区重联的情形, 也不会因此而减少尾瓣的开放磁力线.     

亚暴期间高纬黄昏—子夜扇区极光弧增亮与衰减及其与IMF的关系

利用南极中山站极光全天空摄相、地磁、地磁脉动数据和Wind卫星的行星际磁场IMF观测数据,分析了7个亚暴期间高纬黄昏—子夜扇区极光弧的短暂增亮现象.极光弧特征是,短暂增亮随后很快衰减,历时10—20min,基本沿着日-地方向,有明显黄昏方向运动.这些事件大都发生在IMFBz南转之后,亚暴增长相或膨胀相期间,极光浪涌到达之前10—73min消失.相应的IMFBx＞0,IMFBy＜0.这种极光弧和亚暴极光不同,它们与地磁活动及Pi2脉动不相关.这7个极光弧的形态和IMF特征表明,极光弧的增亮很可能由尾瓣重联产生,很快衰减归因于IMFBz南向条件,而黄昏方向运动受IMFBy控制.     

一次行星际磁场南向突变的高纬电离层对流响应特征

本文利用北半球的超级双极光雷达网数据,考察了一次行星际磁场南向突变时高纬电离层对流的响应特征,着重分析了响应的时间尺度. 对所研究的事件,行星际磁场南北分量在1.5 min内从+7 nT突变到-8 nT,而在突变前后约40 min内都保持相对稳定. 结果表明,电离层对流的初始响应发生在磁正午附近,相对于行星际磁场突变到达磁层顶的时间有大约3 min的滞后;响应与磁地方时有明显依赖关系,离磁正午越远,响应的滞后时间越长,晨昏两侧的对流响应比磁正午滞后约6 min,磁午夜的对流响应比磁正午滞后约12 min;对流重新趋于稳定的时间与磁地方时没有明显的依赖关系,该时间尺度约为10～14 min.     

南向行星际磁场事件与磁暴关系的研究

利用172-182年IMP-8飞船的太阳风观测资料和相应地磁活动性指数Dst和AE,研究了43个南向行星际磁场事件期间太阳风和磁层的耦合问题. 与这43个事件对应的地磁暴是中等的和强的磁暴(Dst＜-50nT). 结果表明:(1) 在43个事件中有11个(约占25.6髎)紧随激波之后,18个处于激波下游流场中(占42髎),其余14个(占33髎)和激波没有关连. 绝大多数事件都伴有太阳风动压和总磁场强度的增加;(2) 当行星际晨昏向电场强度EI＞-4mV/m时,只引起磁亚暴,对Dst指数没有明显影响. 仅当EI＜-5mV/m时,磁亚暴和磁暴才会同时出现;(3) 太阳风动压的增加会增强能量向环电流的输入,但不是密度和速度单独起作用,而是以PK=ρV2的组合形式影响能量的输入;(4) 虽然行星际磁场(IMF)南向分量BZ对太阳风和磁层的耦合起着关键作用,但IMF的BX和BY分量相对于BZ的大小对太阳风向磁层的能量传输也有一定影响. 当BX、BY相对BZ较大时能量耦合加强.