磁云传播的动力学演化过程研究进展

磁云因其独特的磁场结构经常是重大灾害性空间天气的驱动源. 近来从磁云的边界层结构、环向通量、大尺度结构等方面关于磁云传播的动力学演化过程的研究取得了一些进展. 在磁云边界存在一个由于磁场重联而形成的边界层结构. 在磁云传播过程中, 这种发生在边界处的磁场重联可能会把磁云的磁场剥蚀掉, 进而引起其磁通量绳结构环向通量的减少以及不对称. 在磁云内部, 经常会观测到多个子通量绳结构. 这些特性各异的子通量绳可以通过磁场重联而合并, 进而引起磁云磁结构的改变. 关于磁云大尺度磁场拓扑位形的演化机制, 除了较早提出的交换重联外, 目前的研究表明在行星际空间中, 磁云边界处的重联过程也可以将磁云闭合或半开放的磁场线打开或断开. 尽管在相关研究中已经取得了较大进展, 但关于磁云传播的动力学演化过程还有许多问题尚不清楚. 在行星际小尺度磁通量绳边界也发现了边界层结构, 那么磁云是否会因剥蚀而成为小尺度通量绳? 磁云内子通量绳结构在相互作用中会不会引起某些不稳定性而导致整个通量绳系统的崩溃? 这些问题的解决还有待于进一步的理论、观测和数值模拟研究.     

你是电、你是光,你是极地的神话——极地极光现象

许多世纪以来,极光一直是人们猜测和探索的天象之谜。以前,爱斯基摩人以为那是鬼神引导死者灵魂上天堂的火炬;13世纪时,人们则认为那是格陵兰冰原反射的光;到了17世纪,人们才称它为北极光(在南极所见到的同样的光称为南极光)。     

太阳风在地球激波前兆区减速的统计研究

本文首次利用完全相同两颗卫星（CLUSTER C1和C3）的数据对地球激波前兆区太阳风的减速和偏转特性进行了统计研究.结果表明,在激波前兆坐标系中,太阳风减小的速度随观测点到激波的距离D_BS增大而减小,随行星际磁场与激波法向夹角θ_BN增大也减小,在ULF波动区深度D_WS小于6R_e(R_e为地球半径)的范围内最为显著;伴随着太阳风减速的另外一个现象——太阳风的偏转,也存在相似的规律.其最大减速和最大偏转角度分别为10 km/s和3°.太阳风减速和偏转,以及随之变化的太阳风动压,可能会引起地球磁层顶位置和形状发生改变,同时也为激波前兆区弥散（diffuse）离子的起源及加热提供了一种可能的机制.     

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(Bz≥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.     

近日太阳风中磁场回弯结构的MHD模拟

帕克太阳探针(Parker Solar Probe,PSP)在太阳附近发现大量磁力线回弯结构,通常还伴随有太阳风速度增加.这些磁力线回弯的产生机制到目前为止有多种解释,其中有代表性的一种是由慢太阳风中的喷流引起的.我们首先对PSP的就地观测数据进行了统计分析并给出了发生率和空间尺度随径向距离的演化情况,然后使用简化的1.5维磁流体动力学(magnetohydrodynamics,MHD)模型对喷流在太阳风中的演化进行了模拟,其中太阳风被简化为位于黄道面的球对称流.模拟结果表明喷流的确可以导致太阳附近磁力线发生偏转,验证了喷流可以对磁场方向改变有贡献的图景.不过喷流形成的原因还需要进一步研究.

     

冕洞与太阳风高速流关系的统计研究:到达时间、持续时间和峰值强度

冕洞是太阳风高速流的源区.当冕洞出现在中低纬区域时,太阳风高速流会扫过地球并引发地球空间环境扰动,如地磁暴和高能电子暴等.在太阳活动周下降年和低年,这种类型的扰动占据主导地位.因此,冕洞高速流的到达时间、峰值时间、峰值强度和持续时间等,是空间天气预报的重要内容.本文基于2010年5月到2016年12月的SDO/AIA太阳极紫外图像以及1AU处ACE和WIND卫星的太阳风观测数据,确定了160个冕洞-太阳风高速流事件,定量计算了他们的特征参数,包括冕洞与太阳风高速流的开始时间、峰值时间、峰值强度和结束时间,分析了各个特征参数的分布规律,对冕洞-高速流之间的关系进行了统计研究,并提出了一种新的预报方法,为基于冕洞成像观测的太阳风高速流的精准预报提供了依据.

     

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.     

太阳风引起的地磁扰动的参数辨识

作为太阳风引起的地磁扰动的系统辨识一文的姊妹篇,本文利用参数系统辨识方法,对太阳风-磁层耦合系统做了进一步的探讨.根据地磁扰动机制的理论研究,地磁扰动被认为是太阳风能量耦合进入磁层以及由此引起的一系列磁层内能量的输运和耗散的结果.在此基础上,对太阳风-磁层系统的非线性情况进行了讨论,建立了Dst指数与太阳风参量的非线性函数关系,给出了由此得到的地磁扰动计算结果.同时还利用1967年2月3—12日和1980年12月16—23日的两次事件,对已得到的函数关系进行了验证和讨论.验证结果不仅对模型的合理性、普适性做了很好的说明,也表明这种非线性函数关系作为定量的地磁预报模型,具有一定的可信度和实用性.     

五矩二流太阳风等离子体特性的数值研究

本文数值求解了各向同性二流太阳风的五矩方程组,得出了1 Rs—2AU区域内太阳风密度、速度、电子和质子温度、它们的热流通量密度q以及非麦克斯韦分布尾部粒子过剩量ξ随日心距离的变化关系.文中比较了二流太阳风五矩模型、四矩模型（ξ=0）和低阶矩模型（不包括q和ξ二个矩方程）的等离子体特性,着重讨论了量ξ对质子温度及其热流通量的影响.结果表明,包括言的五矩方程可改善Te/Tp和qe/qp的计算值与观测值的符合程度.     

低速太阳风的分类

对1970—1980年1AU附近太阳风的观测资料所进行的分析表明,60％的冕旒相关流和40％的CME相关云的流速都不大于350km/s;80％的流速不大于350km/s的低速风起源于冕旒,且除冕旒和CMEs外,看来还存在别的低速风日冕源区.有关冷风的分析表明,近80％的冷风的流速不大于350km/s,80％的冷风起源于冕旒;也有一小部分冷风既非起源于冕旒,也不起源于CMEs.低速风的11年变化显示,在太阳活动各位相,冕旒总是低速风的主要日冕源区.但是,极大位相时的冕旒宽度很可能大于极小和下降位相.