连接太阳和地球的磁脉

太阳是距我们最近的一颗恒星。除了可见光以外。长期以来,科学家们相信,在地球和太阳之间还一定有着某种联系。观测发现,太阳每时每刻往外喷射着高速带电微粒流——也称为等离子体流,人们已习惯地称其为“太阳风”。它有时伴随着日冕物质抛射十分强劲。产生名副其实的“太阳风暴”。当太阳风暴袭击地球时,幸亏有地球磁层作为天然防线,人们才得以安然无恙。     

太阳风压力系数的研究

利用全球磁流体力学(MHD)的模拟结果,研究了太阳风压力系数与上游太阳风参数和日下点磁层顶张角的相关性.在识别出日下点附近磁层顶位置后,通过拟合得到日下点附近的磁层顶张角.在考虑上游太阳风中的磁压和热压以及磁层顶外侧的太阳风动压的情况下,计算了太阳风压力系数.通过分析行星际磁场不同方向时太阳风动压在日地连线上与磁压和热压的转化关系,详细研究了太阳风参数和日下点磁层顶张角对太阳风压力系数的影响,得到以下相关结论:(1) 在北向行星际磁场较大(B_z≥5 nT)时,磁层顶外侧磁压占主导,南向行星际磁场时磁层顶外侧热压占主导;(2) 太阳风压力系数随着行星际磁场的增大而增大,随着行星际磁场时钟角的增大而减小;并且在行星际磁场大小和其他太阳风条件相同时,北向行星际磁场时的太阳风压力系数要大于南向行星际磁场时的;北向行星际磁场时,太阳风压力系数随着太阳风动压的增大而减小,南向行星际磁场时,太阳风压力系数随着太阳风动压的增大而增大;以上结论是对观测结果的扩展;(3) 最后,我们还发现太阳风压力系数随着日下点磁层顶张角的增大而增大.     

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.     

北京地区Pi2脉动和地磁AE指数的关系

分析了北京地区1998年1月1日至3月26日和4月24日至6月13日共136天记录的Pi2脉动事件特性,并与同时期亚暴AE指数进行了对比.结果发现,在北京地区越靠近日侧,观测到的Pi2脉动事件越少,幅度也越小.并不是每次亚暴都能激发空腔振荡模,亚暴强度的增加也并不代表空腔振荡模产生概率的增加.随着亚暴AE指数的增大,Pi2脉动的平均幅度基本上也在增大.但也有例外,可能是由于北京观测地点距离亚暴电流楔位置较远造成的.北京地区的Pi2脉动可以发生于亚暴的整个过程中,从AE指数开始增长期间（亚暴增长相）,一直到亚暴AE指数恢复正常（亚暴膨胀相后期）.某些亚暴没有对应着Pi2脉动事件,其AE指数从小于200nT一直到800nT以上.从观测数据来看,北京地区虽然纬度分区在低纬区域,但其Pi2脉动的特性与中纬Pi2特性更为靠近.所以不宜用北京地区Pi2来预报亚暴,以避免误报和漏报.     

1989年3月特强磁暴期间的电离层暴

用欧亚大陆地面电离层垂测站资料考察1989年3月12～16日磁暴期间的电离层暴形态及其发展变化. 特强磁暴引发的电离层暴是全球性的,但自磁层沉降的高能粒子对热层低部的加热程度及区域分布不同,因而各经度链区域内电离层暴的特征也有所差异. 本文研究表明,与理论推断对照,欧洲地区内F2层最大电子密度NmaxF2(或f0F2)并不出现正暴现象,而负暴自高纬向低纬的发展则与典型的热层环流结果相符. 此外,此磁暴过程期间在中低纬区存在明显的波动过程. 在亚洲高纬地区,磁暴初期13日有约10 h的正暴,而负暴过程则与欧洲地区类似,但不太清晰;且无波动现象. 磁暴期间,同一经度链的中低纬地区,夜间常发生多站同时的h′F突增. 本文再次证实这是一般磁暴期间常出现的普遍现象.     

火星感应磁场模型及其磁力线分布

本文利用火星具有电离层而无内禀磁场的特点以及它与太阳风相互作用的性质,通过适当的假设,建立了火星感应磁场模型.此模型建立如下,利用电流连续的特性: Δ·j=0 (j为感应电流)以及对火星磁层中的电流体系分布的合理假设给出电流,并由毕奥-萨伐尔定理得到火星周围的磁场强度的表达式;利用我们自编的磁力线跟踪程序由求得的磁场强度得到火星周围的磁力线分布.我们发现:利用此火星磁场模型得到的火星周围的磁力线分布与卫星观测的结果以及其他方法得到的结果符合的很好.     

地球弓激波的旋转非对称性

通过对太阳风-磁层-电离层系统的全球MHD模拟,研究地球弓激波相对日地连线的旋转非对称性．模拟限于太阳风速度沿日地连线、地球磁偶极矩和行星际磁场（IMF）与日地连线垂直的简单情况．模拟结果表明,即便对于IMF强度为零的情况,弓激波相对日地连线也不具备旋转对称性质：终端面（晨昏子午面）及其向阳侧的弓激波截线的东西宽度大于南北宽度（约9%~11％）,终端面尾侧的弓激波截线东西宽度小于南北宽度（约8％）．在存在IMF的情况下,弓激波的位形同时受到磁层顶的形状和快磁声波速度各向异性的影响．磁层顶向外扩张并沿IMF方向拉伸,且其扩张和拉伸程度随IMF由北转南而增强．在磁鞘中,垂直于磁场方向的快磁声波速度高于平行方向．因此,磁层顶拉伸方向与快磁声波速度最大方向垂直,它们对弓激波位置的效应恰好相反;弓激波的最终形状取决于何种效应占据主导地位．对于终端面尾侧,快磁声波速度的各向异性起主导作用,弓激波截线沿IMF垂直方向的宽度大于平行方向．对于终端面及其向阳侧,弓激波截线的形状与IMF取向有关：在准北向或晨昏向IMF情况下,弓激波截线沿IMF垂直方向的宽度仍大于平行方向;在准南向IMF情况下,弓激波截线沿IMF垂直方向的宽度小于平行方向的．鉴于弓激波形状同IMF取向之间的密切关系,我们提议以IMF为基准方向,提取弓激波截线的平行半宽度R_b∥和垂直半宽度R_b⊥作为尺度参数．这些尺度参数和通常引入的弓激波截线的东西半宽度y_b和南北半宽度z_b相比,更为合理地表征了弓激波的几何性质．模拟结果表明,在终端面上,y_b/z_b和R_b∥/R_b⊥在IMF各向同性取向下的统计平均值均低于1,与观测得到的结论一致.     

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.     

磁层顶日下点距离R_0与磁暴D_（st）指数的相关性

利用2004—2006年ACE、WIND卫星观测的太阳风数据和相应时期反映磁暴大小的Dst指数,针对200个不同级别的磁暴事件,分析了磁层顶日下点距离R0与磁暴Dst指数的线性相关性。分析显示,在极端太阳风条件下,Dst指数时间序列比借助于Chao Model计算出的磁层顶日下点距离R0的时间序列延迟了约3h。经修正时间延迟后,对磁层顶日下点距离R0与磁暴Dst指数的线性相关性进行分析。结果表明：发生超级磁暴时,二者线性相关系数的均值为0.77;大磁暴时,线性相关系数的均值为0.74;中等磁暴时,线性相关系数的均值为0.47。此外,用最小二乘数据拟合得到了不同级别磁暴时的R0-Dst关系图。     

空间天气研究进展

空间天气对人类活动具有深刻的影响,关系到社会的经济发展和国家安全,其研究和应用正面临着日益增长的需求.主要从业务和应用的角度,描述了空间天气所涉及的主要区域内的空间天气现象及空间天气要素近年来国内外的主要研究进展和态势,以期读者对空间天气有一个整体的认识.