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...     

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     

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。     

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．     

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Σ_P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（B_z<0）.磁层顶和舷激波的尺度分别由它们与GSE坐标系三个轴的交点,即日下点、晨昏侧翼点和南北顶点的地心距离表征.对给定的太阳风条件、B_z和Σ_P,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,Σ_P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Σ_P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Σ_P的变化与B_z的幅度有关：在弱南向IMF情况下磁层顶的侧翼点随Σ_P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.     

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密度等参数.收集了近磁层顶磁鞘侧的β值(等离子体热压磁压之比),并应用瓦伦测试划分了磁层顶的旋转不连续和切向不连续.结果表示,磁层顶的晨昏两侧存在明显的不对称,即晨侧磁层顶厚度更厚、运动也更加活跃.上游β值由近日侧到磁尾整体上表现出下降趋势,但在昏侧部分区域出现异常升高,通过分析β值对磁层顶厚度和运动速度的影响发现,更高的上游β值对应的磁层顶厚度更薄,运动速度更高,但是上游β的晨昏不对称并不是造成磁层顶厚度和运动速度晨昏不对称的主要原因,本文认为,磁层顶参数的晨昏不对称可能并不是由单一的上游参数造成的.最后,高β对研究区域内的磁层顶瓦伦关系有破坏作用.     

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.     

磁层中电离层离子的研究进展

本文概要介绍了地球磁层中电离层起源的离子观测特性及理论研究概况。研究资料表明，电离层是磁层离子的一个重要来源，电离层起源的离子在磁层动力学中可起主要作用。本文还作了简要评述和展望。     

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.     

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。     

1998年5月磁暴磁层电流体系的地磁效应分析

低纬度地区地磁场的短时变化主要由以下电流体系产生:电离层发电机电流(IDC)、对称环电流(SRC)以及由部分环电流和Ⅱ区场向电流及其电离层回路组成的内磁层三维电流体系(PRFI).此外,由Ⅰ区场向电流及其电离层回路组成的电流体系(FACI)所产生的低纬地磁场也是不可忽略的.本文针对1998年5月1-6日的大磁暴,首先利用多个同子午线台站对的数据分离并消去由IDC电流产生的Sq场.然后,通过线性建模分离其他电流体系产生的磁场成分.结果表明:(1)发生在5月1-6日的磁暴可以分为两个过程,PRFI和FACI电流体系在1-3日不明显,在4-5日伴随着亚暴强烈发生.(2)SRC的变化情况在第一阶段同Dst指数相似,在第二阶段明显滞后于Dst指数.(3)在5月4-5日,PRFI在SRC之前增强,随着PRFI和FACI的恢复,SRC开始增强.这一结果为我们了解环电流和场向电流的形成以及它们的关系提供线索.     

第22太阳活动周峰年的ULF波观测与研究

本文介绍第２２太阳活动周峰年期间利用ＵＬＦ波的观测和分析，对磁层近地空间电磁环境的研究，文中列举了这峰年期间地磁脉动的主要成果。有些成果是国际上首次提出和发表的，目前，地磁脉动的观测和研究已经成为监测近地空间电磁环境的重要手段。     

地磁学千年（一）

地磁学的历史可以追溯到公元1000年左右磁罗盘在中国的发现。对地球磁场的系统研究始于1600年吉尔伯特(William Gilbert)的De Magnete一书(Gilbert，1600)。此后，哈雷(Edmond Halley)、厍伦(Charles Augustin de Coulomb)、高斯(Carl Fdedrich Gauss)和赛宾(Edward SabinO相继进行了该方面的研究工作。奥斯特(Hans Christian Oersted)和安培(Andre-Made Ampere)磁理论的发现为法拉第(MichaleFaraday)的流体发电机理论奠定了基础。基于赫尔(George Ellery Hale)对太阳黑子磁学的观测，拉莫尔（Joseph Larmor)于1919年提出了通过导电流体对流来维持自身运转的发电机理论，由此形成了日地磁场的现代发电机理论。古地磁研究表明，在遥远的过去，地球的磁极曾经历过数次倒转，这为板块构造理论的创立提供了重要的依据。近代科学太空飞船的观测表明了地球远磁场的复杂性以及太阳系中其他行星、卫星的伴生磁场的存在。     

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．     

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.     

Pi2地磁脉动的理论进展

目前，国内外在Ｐｉ２脉动的理论研究上取得了很大进展，现在问题的焦点是如何完整地解释Ｐｉ２脉动的全球特征和激发机制。解释Ｐｉ２脉动的理论主要有三种，即瞬态响应机制，亚暴电流楔理论和磁层空腔振荡理论。本文介绍了这三种理论的由来和发展，分析了每种理论在Ｐｉ２脉动研究中的贡献，并对Ｐｉ２脉动理论研究的进一步发展提出一些看法。     

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。     

磁暴环电流衰减率对磁层能量状态的影响

赤道环电流是引起磁暴扰动的主要电流体系,环电流衰减速率极大地影响着磁层能量收支估计和磁暴预报.本文提出评价环电流衰减率的两条新指标;（1）E指标（磁暴事件总能量收支平衡指标）,即磁暴全过程的积分能量收支平衡;（2）L指标（长期总能量收支平衡指标）,即几年、十几年或更长时段内积分能量收支平衡.我们用1998~2003年44个磁暴事件以及第23太阳周（1998~2008年）11年的连续资料,分别检验了几类衰减率模型对上述两条指标符合的情况.结果表明,PA1978和XD2010两类模型对E指标符合得最好,即无论磁暴强弱,它们均显示出事件总能量收支平衡的基本特征;同时,这两类模型与L指标符合得也最好,即它们的长期积分能量基本平衡,而且磁暴期间的能量消耗表现出明显增强的重要特征.