近磁尾TC-1观测到伴随有高速流的ULF波及不稳定性分析

2004年8月3日近地TC-1卫星在磁尾X_GSM~－12R_E的等离子体片内,观测到了伴随着高速流的低于离子回旋频率的波,即超低频波(ULF,Ultra Low Frequency).该波垂直分量的振幅在高速流及其振荡减速期间大致相当;而平行分量振幅在高速流时明显大于其振荡减速时. 利用一个扰动双流模型对完全磁化离子横场漂移驱动的电磁不稳定性计算后,预测结果表明:(1)对于垂直分量来说,横场漂移速度与Alfvén速度的比值影响不稳定性增长率和激发波频率,随其比值增加,增长率变大,激发波频率从负值增加到正值.(2)对于平行分量来说,温度各向异性时等离子体热速度与Alfvén速度比值只影响不稳定性增长率和激发波频率,未改变不稳定性模类别;而温度各向同性时离子横场漂移速度与Alfvén速度比值既影响不稳定性模的种类及其分支,又影响激发波频率.进一步将卫星观测到的等离子体密度、温度、整体流速和磁场代入模型方程,进行数值计算与上述预测结果对比后发现:卫星观测中垂直分量的功率谱密度(PSD,Power Spectrum Density)增强时间和频段与理论模型中由β_//、β_⊥和v_⊥/V_A引起不稳定性激发的波一致;卫星观测中平行分量的功率谱密度增强时间与理论模型基本相符,但是前者的频率明显地低于后者.因此,除了需考虑平行磁场的离子整体流速对不稳定性激发波频率的可能影响,还需要统计上进一步核实伴随有高速流的ULF波与不稳定性的相关性.     

磁场重联耗散区内X线附近的强低混杂波的Geotail卫星观测研究

Geotail卫星于2003年5月15日在近地磁尾观测到磁场重联并穿越重联耗散区.卫星从尾向—南尾瓣一侧穿越磁场重联耗散区到地向—北尾瓣一侧的过程中,随着等离子体流反向,霍尔磁场(B_y) 被观测到.本文研究了该磁场重联耗散区内的低混杂波.观测结果显示,在磁场重联耗散区核心及其附近区域观测到在低混杂频率附近存在强烈的等离子体波动的增强,其传播方向主要垂直于背景磁场,该等离子体波动为低混杂波.前人的模拟结果认为,当磁场重联得到充分发展之前,低混杂波将消失.本文的观测结果充分说明,当磁场重联充分发展之后,在核心区域仍然存在增强的低混杂波,说明低混杂波贯穿磁场重联的整个发展过程.这种观测结果与计算机等离子体模拟的结果有所不同.本文的观测对低混杂波在磁场重联中的具体表现提供了新的观测证据并有可能修正前人的理论.     

通量堆积和偶极化过程中的超低频波动

2004年9月17日TC-1卫星在近地磁尾夜侧观测到一次伴随有通量堆积和偶极化过程的典型亚暴事件.本文利用离散小波分析和FFT分析方法对本次事件中4 s精度的FGM和HIA数据进行分析,以了解通量堆积过程和偶极化过程中的低频波特性.分析结果表明,通量堆积过程和偶极化过程中场和粒子有明显的不规则低频波动,主要波动频率范围为4~15 mHz,和Pi-2脉动一致.通量堆积过程中磁场各个分量的低频波动和偶极化过程中的低频波动有明显不同,表明这两个物理过程可能存在不同的波动机制.在通量堆积过程和偶极化过程中,平行磁场方向上温度和速度的波动和垂直方向上温度和速度的波动有明显区别,平行磁场方向上温度和速度的波动有较好的相关性,且热离子密度的波动和平行磁场方向上的波动有较好的相关性,表明存在快模压缩波.TC-1卫星的观测显示通量堆积过程中磁场By分量有明显增长.我们的分析结果表明ULF波与By分量的增长有密切关系,从而可能对亚暴膨胀相的触发有重要影响.     

2007年3月3日长时间持续Pc5 ULF波的多点联合观测分析

2007年3月3日位于磁层昏侧THEMIS的5颗卫星、同步轨道晨侧和午前的GOES 3颗卫星和地面地磁台站同时观测到了持续近4 h的Pc5 ULF波.我们用交叉小波相关分析计算脉动的传播速度,用MVA分析求解脉动的传播方向,然后结合两者的计算结果获得了Pc5相速度矢量信息.THEMIS卫星观测到Pc5具有压缩特性,且向阳传播,速度约在6~20 km/s左右,相比于磁层中阿尔芬速度(1000 km/s)较低.这些Pc5 ULF波动可能产生于磁尾或磁层内部不稳定性.GOES 3颗卫星观测到不同情况的Pc5 ULF波,极向模占主要成分,且具有波包结构,具有阿尔芬驻波特性,可能产生于K-H(Kelvin-Helmholtz)不稳定性.地面台站观测到ULF波扰动幅度随纬度升高而增强,Pc5脉动在地理纬度60°附近达到最大值, Dumont durville台站观测到的脉动与THEMIS观测到波形有很好的相似性.     

近地磁尾方位角流能量转换过程

高速流是磁尾等离子体片中质量、能量和磁通量最重要的输运形式.高速流在地向运动到近地磁尾后流速会降低,主导方向也经常转为晨昏方向.在等离子体流速及其主导分量、密度和温度等宏观参数变化的过程中,可能伴随有不同类型的能量转换.为此,我们分析近地磁尾方位角流事件期间的能量转换过程.基于整体流速的主导分量为晨昏向,及事件期间的平均温度比其前后增强的选取原则,从2008—2020年期间THEMIS中的三颗卫星(THA,THD,THE)运行在磁尾时的观测数据中,共筛选出821个平均温度比其前/后(事件之前或事件之后10 min)升高的方位角流事件.2011年5月16日的方位角流事例研究发现：能量超过1 keV尤其是超过10 keV的高能离子通量增加,可导致低速低温等离子体的密度、温度和流速增加;磁场减小及磁场功率谱密度的分析表明等离子体和磁能的转换发生在频率为0.01～0.334 Hz的低频波动,仅1%能量耗散.统计给出方位角流事件的平均温度约为3.7 keV,比其前后增加的幅度大部分集中在100～1000 eV.事件期间的平均数密度可能升高或者降低,二者概率大致相当.约96%的平均温度和密度同时大...     

Grigg-Skjellerup彗星新生离子激发低频电磁波性质

本文运用磁场的最小方差分析法和磁场-电子密度的相关分析法分析了欧洲空间局Giotto飞船对P／Grigg-Skjellerup（简称G-S）彗星弓激波附近磁场和电子能流的部分观测数据．结果表明彗星附近存在大量的频率靠近新生水族离子回旋频率的波动,它们是由彗星新生水族离子环流激发的低频左旋电磁波．波在近似平行于磁场方向传播,斜传播角小于15°．电子数据和磁场数据相关分析表明即使在离彗星很远的地方仍然存在压缩波．     

磁扰期间ULF脉动的场和热等离子的观测

在1982年10月31日1600-1830UT磁扰期间,DE1对ULF脉动进行了观测,地面的观测推测脉动是由太阳风速度和压力的突然增加激发的.在脉动期间0900LT 左右DE1通过了从磁纬-55——20°L～13-4的远地点.观测到的ULF 波是周向振荡的,它的前面是持续了一个多小时的逐渐衰减的长周期压缩波,磁场与电场振荡间的位相关系和计算出的Poynting 通量指出,在外磁层(L>8),DE1观测到含有很强极型分量的传播波,而随后在L<10.3看到的准正弦环型波是沿磁力线的驻波.环型波表现为四个波包,每个波包对应着不同的等离子体分布,在很大的磁层区域内观测到的波周期随L减小.磁壳之间似乎很微弱的相互作用意味着这个源是宽带源.对DEI穿过的磁壳磁力线脚部附近的几个高纬台站的磁变仪资料也进行了检验.地面上的地磁脉动包含许多频率分量,空间看到的最强波在同一条磁场线附近的地面上看到的却不常是最强信号.地面脉动的宽带特征表明,地面台站也纪录到相邻磁力线的振荡.在地面台站看到的主要频率约在2小时内大致保持不变,但与L有关,这表明DEI在空间看到的变化周期显然与L有关而并非随时间的变化.     

地球磁尾不同位置处高速流的统计特性研究

使用2007~2011年THEMIS卫星数据,对位于地球磁尾(|YGSM|13RE,|ZGSM|5RE,–30REXGSM–6RE)等离子体片内的高速流及背景的等离子体特性和它们与太阳风参数之间的联系进行了统计研究.我们发现,距离地球越近,高速流温度的增加相较于其背景要更强一些;高速流与背景的离子数密度比值和离子温度比值也都有所升高;而我们的统计进一步表明,高速流密度与其发生前2 h的太阳风密度相关性最高,背景密度与其观测时刻前3.5 h的太阳风密度相关性最高,且二者的归一化密度(密度与太阳风密度之比)均与其前3 h的行星际磁场θ角(θ=arctan(Bz/sqrt(Bx2+By2)))相关性程度最大.行星际磁场越倾向于北向,高速流归一化密度越大,与磁尾背景等离子体的性质相似.     

近地等离子体片中磁场扰动和离子速度扰动的统计研究

利用THEMIS THC卫星观测数据统计分析近地等离子体片中磁场扰动和等离子体整体流的速度扰动的关系,研究Alfven波动的活动性.研究结果表明:1)等离子体整体流的速度扰动幅度依赖于平均速度的大小,速度扰动幅度随平均速度的增加而增加;2)速度扰动幅度与磁场扰动幅度存在较强的正相关性;3)磁场扰动幅度与AE指数密切相关,磁场扰动幅度随着AE指数增加而增加,而速度扰动幅度与AE指数之间没有明显的相关性;4)Alfven比与AE指数的相关系数较小,但能够看出Alfven比随着AE指数增加而减小的趋势;5)速度扰动幅度和磁场扰动幅度与尾向距离及距中性片距离的关系不明显.     

磁尾等离子体片区氧离子丰度对离子剪切流的开尔文-赫姆霍茨不稳定性的影响

考虑等离子体片区存在源于电离层的氧离子,研究了离子剪切流在低频表面波扰动情况下的开尔文-赫姆霍茨(K-H)不稳定性.在氧离子流与质子流具有近似相同的宏观流速假定下,采用磁流体力学(MHD)近似,并且考虑在磁场方程中保留速度场涡量项,推导出沿磁场方向传播的表面波线性扰动的色散关系.在等离子体片边界层区,发现随着氧离子相对丰度的增加,产生K-H不稳定性的最大临界扰动波长可增大到20RE(地球半径).对于给定的氧离子丰度,临界剪切相对扰动波长的变化存在一个最小值.氧离子丰度越高,最小临界剪切值越小,对应的扰动波长(称最不稳定波长)也越长.高氧离子丰度的不稳定性增长率随速度剪切增加而增加,快于低氧离子丰度.不稳定性增长率随速度剪切增加的最大饱和值接近对应的离子回旋频率.在地磁活动期间,由等离子体片中氧离子丰度增加而增大的沿磁场传播的表面波不稳定性对于理解低频磁脉动事件和磁层亚暴过程也有着十分重要的意义.     

地球磁尾中重联产生的磁流通管的运动

本文通过MHD理论研究了细磁流通管在二维静止平衡介质中的运动.用地球磁尾中的一维细丝来表示流通管,通过数值模拟可以得到细丝随时间变化的一些性质.重联产生的细丝磁场比周围磁场偶极性更强,运动时表现出了很强的地向流.结果还显示了阿尔芬波、慢激波等MHD波从磁层的赤道面传播到地球电离层上并部分地反射回来.细丝在电离层上的足点的赤道向运动滞后于赤道面上的地向运动.虽然在模拟中细丝的初始等离子体压强低于周围压强,但是当它开始迅速向地球方向运动时,它的等离子体压强很快上升到与周围压强相当,甚至有时候大于周围压强的值.     

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.     

Cluster探测到磁尾等离子体注入的特征

利用Cluster卫星2001～2004年磁尾运行期间RAPID仪器的数据,确定了115例磁尾等离子体注入事件,借助时序叠加法统计研究磁尾等离子体注入现象的特征.注入事件主要分布于磁地方时夜晚20时至凌晨04时.与同步轨道区观测到的粒子注入事件类似,可以将磁尾粒子注入事件分成五类：（1）只有离子注入;（2）离子先于电子注入;（3）离子和电子同时注入;（4）电子先于离子注入;（5）只有电子注入.磁尾粒子注入时,质子（能量范围0～40 keV）的温度和数密度同时显著增加,沿地球径向的传播速度也明显增大.统计分析磁尾注入期间同时观测到的晨昏对流电场,发现电场可分为两类：（A）注入后电场突然增大,电场强度为正;（B）注入后电场突然增大,电场强度为负.利用磁层磁场（T89c）和电场（Volland-Stern）模型模拟粒子注入后赤道面的电漂移速度矢量,模拟结果与统计结果基本一致,表明晨昏对流电场引起的电漂移是驱动磁尾（-18R_EE）等离子体沿地球径向注入的机制之一.     

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.     

Poker flat radar observations of the magnetosphere–ionosphere coupling electrodynamics of the earthward penetrating plasma sheet following convection enhancements

The plasma sheet moves earthward (equatorward in the ionosphere) after enhancements in convection, and the electrodynamics of this response is strongly influenced by Region 2 magnetosphere–ionosphere coupling. We have used Poker Flat Advanced Modular Incoherent Scatter Radar (PFISR) observations associated with two relatively abrupt southward turnings of the IMF to provide an initial evaluation of aspects of this response. The observations show that strong westward sub-auroral polarization streams (SAPS) flow regions moved equatorward as the plasma sheet electron precipitation (the diffuse aurora) penetrated equatorward following the IMF southward turnings. Consistent with our identification of these flows as SAPS, concurrent DMSP particle precipitation measurements show the equatorial boundary of ion precipitation equatorward of the electron precipitation boundary and that westward flows lie within the low-conductivity region between the two boundaries where the plasma sheet ion pressure gradient is expected to drive downward R2 currents. Evidence for these downward currents is seen in the DMSP magnetometer observations. Preliminary examination indicates that the SAPS response seen in the examples presented here may be common. However, detailed analysis will be required for many more events to reliably determine if this is the case. If so, it would imply that SAPS are frequently an important aspect of the inner magnetospheric electric field distribution, and that they are critical for understanding the response of the magnetosphere–ionosphere system to enhancements in convection, including understanding the earthward penetration of the plasma sheet. This earthward penetration is critical to geomagnetic disturbance phenomena such as the substorm growth phase and the formation of the stormtime ring current. Additionally, for one example, a prompt electric field response to the IMF southward turnings is seen within the inner plasma sheet.     

Heating of beam ions by ion acoustic waves

Satellite measurements show that ion beams above the auroral acceleration region are heated to hundreds of eV in a direction perpendicular to the magnetic field. We show that ion acoustic waves may be responsible for much of this heating. Even in the absence of a positive slope in the velocity distribution of the beam ions, ion acoustic waves can be generated by a fan instability. We present analytical estimates of the wave growth rate and ion beam heating rate. These estimates, which are confirmed by particle simulations, indicate that the perpendicular temperature of the beam ions will increase by 30 eV/s, or by 1 eV in 20–25 km. From the simulations we also conclude that the heating saturates at a perpendicular temperature around 200 eV, which is consistent with observations.     

耀斑-激波的南-北非对称性传播

本文根据宇宙线Forbush下降幅度随源耀斑纬度分布的新近结果,采用无量纲化的MHD平面斜激波跃变条件,推算得到子午面内一种可能的耀斑-激波模型。发现耀斑-激波在太阳子午面内的传播相对耀斑法线方向是非对称的,激波面后的动力学参数与磁场具有截然相反的非对称性分布;激波传播的最快方向倾向日球电流片方向。该模型可以解释太阳耀斑-地磁、宇宙线效应中的南-北非对称性现象,有助于了解高速等离子体和非均匀背景场之间的相互作用过程。     

等离子体片边界层内静电离子束流-密度漂移不稳定性

本文研究了地球磁尾等离子体片边界层内由离子束流和等离子体密度梯度联合作用产生的静电不稳定性.模型等离子体由向尾流动的冷离子束流、向地球流动的暖离子束流和背景暖电子组成,等离子体密度是非均匀的,等离子体β（热压强与磁压强之比值）很小,电子等离子体频率与电子退旋频率之比。ω_e/Ω_e》1.结果表明,斜传播的静电快、慢离子束流-密度漂移模能够被激发。