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...     

水星内磁层等离子体带及电流体系

水星是太阳系中离主星最近的和最小的类地行星, 它具有独特的空间环境.水手10号(Mariner 10)确认水星拥有全球性内禀偶极磁场和磁层.但是由于早期观测有限, 人们通常将水星磁层简单地视作地球磁层的缩小版来研究.不过, 在信使号(MESSENGER)访问水星之后, 人们认识到水星和地球的空间环境有巨大差异.通过更深入的分析研究, 人们发现在水星内磁层中, 夜侧磁赤道面附近有带状的等离子体分布, 并且该等离子体带可能与多种磁层电流体系(分叉环电流、亚暴电流楔和东向电流等)密切相关.在贝彼哥伦布(BepiColombo)计划揭开水星研究的新篇章之际, 本文回顾近些年来与水星内磁层等离子体带及相关电流体系有关的研究, 并指出相关研究将是未来水星空间环境的前沿热点.

     

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.

     

我国磁层物理研究的进展和展望

在我国空间科学的开拓者赵九章教授的倡导下，1959年我国开始开展磁层物理研究工作．70年代中期以后，经过20多年的努力，我国磁层物理研究有了很大进展，现已具备重点发展和重点突破的条件本文在文献[1-3]综述的基础上，对近年来我国在磁层物理若干领域内的主要成果进行了补充评述，并对21世纪初我国磁层物理学的发展提出若干建议     

基于卫星观测的上游等离子体β与磁层顶厚度、速度等特征参数关系的统计研究

基于Cluster(C3)卫星的观测数据,本文统计分析了 2001年至2009年的低纬(GSE坐标系下纬度小于45°)侧翼晨(磁地方时MLT＜08)、昏(MLT＞16)两侧磁层顶的特征.分别用法拉第残差最小化分析法(MFR分析)和DeHoffmann-Teller分析法(HT分析)计算了磁层顶厚度、运动速度以及平均电流...     

火星磁层探测结果的分析研究

重点介绍和分析了国际上对火星磁层探测所取得的资料，并与地球和太阳系其他一些行星磁层进行了对比，简单介绍了火星磁层的理论研究概况，指出了目前火星磁层研究中的主要问题。     

月基软X射线成像仪——对地球磁层的全景观测

文章提出以月球科研站为平台,配置一台具有宽视场和高分辨观测能力的软X射线成像仪——月基软X射线成像仪(LSXI),以实现对地球磁层的全景成像.LSXI是一种宽视场的软X射线望远镜,可以对太阳风电荷交换过程(SWCX)产生的软X射线进行动态成像,通过软X射线图像获取地球磁层边际与结构特性.地球磁层全景观测对于理解太阳风-...     

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．     

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．     

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象、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.     

低纬磁层边界区的可压缩性Kelvin-Helmholtz不稳定波

本文用“三层模式”探讨了低纬磁层边界区的可压缩Kelvin-Helmholtz不稳定波的特性。低纬边界层的存在降低了不稳定的阈值,几乎整个低纬边界区都是不稳定的。从内边界向磁层传输的能流和动量流都比双层模式增大,扰动磁场是椭圆偏振的。还讨论了低纬边界区该不稳定性的动力学效应及其与Pc4—5脉动的联系。     

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。     

低纬磁层边界区的可压缩性Kelvin-Helmholtz不稳定波

本文用“三层模式”探讨了低纬磁层边界区的可压缩Kelvin-Helmholtz不稳定波的特性。低纬边界层的存在降低了不稳定的阈值,几乎整个低纬边界区都是不稳定的。从内边界向磁层传输的能流和动量流都比双层模式增大,扰动磁场是椭圆偏振的。还讨论了低纬边界区该不稳定性的动力学效应及其与P_c4-5脉动的联系。     

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.     

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。     

电离层电导对地球磁层顶和舷激波尺度的影响

本文在如下假定下分析电离层电导对地球磁层顶和舷激波尺度的影响：（1）对电离层采用球壳近似,Pedersen电导ΣP均匀,Hall电导为零;（2）地磁偶极矩处于正南方向,行星际磁场（IMF）只有南向分量（BzBz和ΣP,通过三维全球MHD模拟获得系统的准定态.结果表明,在大约1～5 S范围内,ΣP值显著影响磁层顶和舷激波的尺度,而在该范围之外则几乎没有影响.随着ΣP的增加,磁层顶和舷激波整体向外扩张,前者的扩张程度低于后者,以至磁鞘区的范围扩大.磁层顶的侧翼点的位置随ΣP的变化与Bz的幅度有关：在弱南向IMF情况下磁层顶的侧翼点随ΣP的增加向内移动,而在强南向IMF情况下则向外移动.上述结果表明,在构建磁层顶和舷激波的经验模型时,有必要计入电离层电导的影响.     

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.