行星际-赤道电场穿透效率的数值模拟研究

电场穿透作为强烈地磁活动期间太阳风-磁层-电离层电动力学耦合的重要形式,近年来一直是空间物理学最为活跃的课题之一.在过去的近40年里人们一直关注于观测证据的寻找以及物理过程的模拟,“电场穿透效率”这一重要定量化指标直到最近几年才得到重视.本文定义赤道电场增量与对应的行星际电场增量的比值为穿透效率,通过数值模拟的方法对穿透效率的地方时变化以及与中性风发电机的关系做了实验性讨论,在一定简化条件下结果表明：（1）不考虑跨极盖电势饱和的情况下,赤道电场增量与行星际电场增量呈线性关系,且中性风发电机并不影响电场穿透效率;（2）恒定重联线长度L的限定下,穿透效率具有明显地方时依赖性.例如对于L=2.6 RE,在9LT至23LT之间,穿透效率维持在10％左右;0LT至7LT之间,穿透效率迅速从2％上升至30％后又迅速回落到原始水平,形成尖峰.这些结果基本符合观测特征.     

大尺度弯曲波和木星磁盘的波状结构

本文提出,术星磁盘的波状结构可能是由木星等离子体片中存在的大尺度弯曲波引起的。从磁流体力学方程组出发,建立了一个自洽的稳态木星磁盘模式,在这个模式中包括了径向等离子体流和方位角方向的磁场。利用扰动的磁流体力学方程组,得出了普遍的色散方程。在某些简化条件下解出了色散关系。结果表明,弯曲波是一种新型的耦合波,即Alfvèn波和旋转波（频率相当于木星的旋转角速度ΩJ）相耦合的新型波。这种波的特性与等离子体片的结构相关。根据这种波的特征函数,给出了木星磁盘波状结构的表达式,理论结果与根据探测数据得出的经验形式相符。     

磁层源赤道电急流的模式研究

本文用数值计算方法对极盖区边界变化、其上驱动电势突然增减以及粒子沉降边界随时间变化等情况下,中低纬电离层电位分布及赤道电急流变化进行了研究。结果表明,赤道电急流明显地受到磁层-电离层电动耦合的影响。在白天到午夜的大部分时间内,当驱动势增强和扰动源向低纬扩展时,产生扰时附加东向赤道电急流;反之,有较强的磁层源西向电急流。计算结果解释了观测的主要现象,也表明观测结果的复杂性可能与过程不同阶段上电急流位相变化有关。     

磁层亚暴扩展相的数值模拟

本文用多步隐格式方法,求解包含电阻的磁流体力学方程组,对磁层亚暴扩展相作数值模拟.计算结果展现了亚暴扩展相期间磁尾变化的主要特征.它表明,球向和尾向等离子体流与准稳态重联有关.等离子体团的尾向喷发,致使中性线尾侧电流片内的密度降低,等离子体片变薄.中性线近地侧的等离子体团朝着地球运动,并合并于地球附近的重联区内.     

内磁层电流体系的地磁效应

对Ⅱ区场向电流及其伴随的部分环电流和电离层电流组成的内磁层三维电流体系（PRFI电流系）的磁场效应进行了数值计算.这一三维电流体系在中低纬度地面产生的磁场呈现出特殊的纬度分布:X分量几乎不随纬度变化,Y分量随纬度增高近似呈线性变化.这些特征明显不同于对称环电流的磁场分布特征（X∝ cosφ,φ是纬度,Y=0）,也不同于DP2、Sq、L等电流体系的磁场分布特征.利用这一特征我们可以从地磁台子午链观测到的磁场扰动中分离出PRFI电流系的贡献.用1989年3月磁暴的实例检验了上述模型,观测结果与理论结果符合得很好.分析结果还表明,最大的Dst指数并不一定对应着最强的对称环电流.     

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。     

地球磁层顶的无碰撞Kelvin-Helmholtz不稳定性（Ⅰ）

本文用无碰撞等离子体的CGL近似,讨论了地球磁层顶的Kelvin-Helmholtz（K-H）不稳定性问题。同可压缩MHD近似一样,CGL等离子体也存在下、上两个临界速度vc和vu。不稳定性仅当vc0 cosαu时才能激发,v0为磁鞘等离子体流速,α为v0和切向波矢kt间的夹角。在向阳面低纬区,时间增长率ε和空间增长率κ与可压缩MHD的相应值相近。当v0 cosα≥vu时,不稳定表面波转化为稳定的体波。各向异性对K-H不稳定性有显著影响。在近日点低纬处,若磁鞘各向异性参数S2接近水龙带不稳定性的阈值,很小的v0便能激发不稳定表面波。S2低于极小值S2min时,不稳定性不可能产生。所谓Overstability现象是不存在的。     

地球磁层中哨声导管的物理结构

本文在理论上探讨了地球磁层中哨声导管的物理特征。利用两种能够引导甚低频电磁波的导管模式,求得哨声导管中磁场和电流的分布。当磁场偏离势场或无力场时,将会产生场向电流,该电流与导管的强度和稳定维持密切相关。根据这些结果,我们认为高纬磁层中观测到的较强的场向电流,是高纬地区地面台站频繁接收到哨声及其回波的一个重要原因。     

磁声重波在地球磁层中的传播

本文讨论了赤道附近地球磁层中磁声重波沿重力场方向的传播特征。结果表明,当波动频率小于截止频率ωc时,磁声重波将在磁层中被反射。对于典型的磁层等离子体参数,ωc的极大值约为0.3秒-1。我们还讨论了磁声重波与地磁微脉动之间的关系,沿着重力场方向向下传播的磁声重波,可能直接引起赤道附近的Pc1磁脉动。     

关于磁层边界区Kelvin-Helmholtz不稳定性的研究

本文发展了Lee等人在1981年提出的模型,重点强调可压缩等离子体组成的磁层边界区上的K-H不稳定性。在可压缩的条件下,考虑边界层的厚度,我们推出了磁层边界区K-H不稳定性的色散方程。应用数值分析,我们发现磁层边界区上K-H不稳定性的一些新的性质。