用非线性磁场梯度方法对空间磁结构模型的重构研究

空间等离子体中的各种磁结构的形成是空间物理过程发展的产物,理解磁结构的拓扑形态对于认识空间物理过程有着重要作用.由于磁结构的三维(Three-dimensional, 3D)图像无法直接被观测到,因此通过卫星的局地观测来重建磁结构就成为一种很重要的研究途径.迄今已发展出多种空间磁结构的重构方法,其中“非线性磁场梯度”(Nonlinear Magnetic Gradients, NMG)方法(Shen et al., 2021)能够完备地利用四颗卫星星座的磁场与电流的局地观测和物理原理来计算星座质心处磁场的一阶梯度和二阶梯度以重构出星座附近磁场的近似形态.本文采用NMG方法重构了四种与磁层磁重联相关的动理学尺度磁结构模型:(i)一维(One-dimensional, 1D)Harris电流片与地球偶极磁场的叠加,星座质心位于赤道面X=-20R_E(地球半径)和Y=0;(ii) X线重联模型,星座质心位于X点(r=0);(iii)离子尺度轴对称的磁通量绳模型,星座质心位于通量绳轴线上;(iv) 3D分形线(separator)重联模型,星座质心位于正、负零点连线的中心.本工作重点对重构结果进行细致的误差分析及检验.结果表明,在距离星座质心显著大于10倍卫星平均间距空间范围内,用NMG方法获得的这四种磁场拓扑形态均与模型磁场相符.进而,对于前三个不存在磁零点的磁结构,NMG方法可以近似重现星座周边~10倍卫星平均间距空间范围内磁场模型的数值和方向,重构结果与模型磁场基本一致.对于存在两个磁零点的分形线重联模型,在接近与两个磁零点扇形(fan)面平行的方向上,NMG方法可以近似重现星座周边~5倍卫星平均间距空间范围内的磁场,在其他方向上NMG方法仍可以近似重现星座周边~10倍卫星平均间距范围内的磁场.由此可见,NMG方法为重构空间磁结构提供了一种有效的途径.但是必须注意,对于有磁零点的磁结构,扇形面的存在,会导致重构精度降低.

亚暴膨胀相近磁尾位形不稳定性模型Ⅰ．近磁尾位形不稳定性

用单流体和双流体ＭＨＤ近似，研究了近磁尾位形不稳定性（ＮＥＴＣ）．分析表明，ＮＥＴＣ可能存在两种漂移不稳定情况Ｃ１和Ｃ２与卫星观测资料对比显示，Ｃ２较容易在亚暴膨胀相前夕出现，它可以解释亚暴膨胀相期间磁场和等离子体扰动的特征周期、尾向传播速度、磁场扰动和等离子体压强扰动之间的位相关系，场向电流的周期性结构，西向涌浪头部的电子沉降和极光隆起等观测特性和现象．薄电流片的极端情况（Ｒｃ≈ｒｉ）不在本文的讨论范围之内．

地球磁层顶K-H不稳定性与撕裂模的耦合及涡旋撕裂模不稳定性

本文用二维MHD数值模拟研究了地球磁层顶同时存在速度剪切和磁场剪切时Kelvin-Helmholtz不稳定性(K-H)和撕裂模不稳定性(TM)的耦合过程。在雷诺数和磁雷诺数确定时,Alfvèn马赫数值(M_A)对耦合特性起决定性作用。在本文选取的参数条件下,若M_A<0.4,自发TM占主导地位;当0.4≤M_A<1.4时,TM受到K-H明显调制;如果M_A≥1.4,K-H引起的涡旋运动起控制作用,导致一种新的不稳定性产生。该不稳定性称作涡旋撕裂模不稳定性。其饱和后长时间渐近状态由一个大尺度的流体涡旋和同心磁岛组成。在地球磁层顶通量传输事件(FTEs)中它可能起着重要作用。

磁层亚暴膨胀相的近地触发模型

本文指出现有亚暴的中性线模型其源区在赤道面上离地球太远；以ＧＥＯＳ－２的观测资料为依据，提出了亚暴膨胀相的一个近地触发模型──气球模不稳定性模型．该模型认为，在增长相期间到达Ｒ≈（６－１０）ＲＥ的近地等离子体片内边缘区，出现指向地球方向的离子压强梯度，越尾电流强度增大，磁力线向磁尾拉伸．当等离子体片变薄，电子沉降增强，极光带电离层电导率骤增时，气球模不稳定性在近地等离子体片内边缘区被激发，场向电流急剧增大，导致越尾电流崩塌和亚暴电流体系的形成，从而触发膨胀相．与ＧＥＯＳ－２观测资料的进一步比较表明。

磁层亚暴膨胀相的协同性模型

用一元磁流体力学广义行波展开法进一步研究了近磁尾内边界的位型不稳定性。将笔者以前关于近磁尾赤道面附近的漂移气球模不稳定性工作推广到非赤道区和存在非定常地向流的情形。论证了减切地向流将导致近磁尾内边界绝对不稳定，并使增长率显著增加。研究表明在亚暴电流楔的形成过程中，中磁尾磁重联和近磁尾位型不稳定性可能协同地起着重要作用。在此基础上提出了一个磁层亚暴膨胀相的中性线一电流中断协同模型。该模型能解释卫星和地面的许多亚暴观测结果。不同的亚暴可能有不同的触发过程。

地球磁层顶的漂移动力学Alfvn波不稳定性及其反常输运效应

本文用回旋动力学研究了磁层顶等离子体低频漂移动力学不稳定性.在β≥1附近发现两支不稳定的漂移动力学Alfvèn模(DKA).它们可在▽T(∥-▽n)(?)0时激发,速度剪切提供主要的自由能源.两支DKA均具有非零的(δE_y,δE_∥)和(δB_x,δB_∥).在湍动的非线性饱和状态下,δB_x的起伏可导致很强的反常输运,当|δB_x|=1nT时,D_⊥可达到10~9m^2/s的数量级.因此,DKA可能在太阳风-磁层耦合过程中起重要作用.

磁层亚暴的磁重联-电流中断-电离层、磁层耦合全球模型

磁层亚暴是地球空间动力学的一个重要过程．本文对磁层亚暴进行了理论分析和观测比较研究．研究表明，减速地向流导致近磁尾处磁场位形绝对不稳定，并显著提高其增长率；中碰尾磁场重联、近磁尾电流中断以及电离层－磁层耦合可能协同作用，触发亚暴．该亚暴模型与许多观测现象相符．

大磁暴中环电流离子成分的变化及其与磁暴演化的关系

利用CRRES/MICS的观测数据 ,研究了磁暴期间内磁层离子成分的变化 .对1 991年两个典型磁暴和 1 2个大磁暴的分析表明 ,组成暴时环电流的离子可以分成两组 ,一组由O+、低能H+和He+组成 ,起源于电离层 (IOP) ;另一组为高能H+和He++,主要来自太阳风 (SOP) .宁静时环电流主要成分为SOP ,大磁暴主相极大时环电流的主要成分是IOP .大磁暴期间离子可被注入到很低的高度 (L =3— 4) .IOP对环电流的贡献随磁暴强度增大而增加 ,在大磁暴主相极大时可达 80 % (数密度 ) .IOP中O+的快速增减是导致Dst指数在磁暴主相期间快速下降和恢复相中快速增长的主要原因 .小磁暴中 (Dst>- 50nT)

2001年1月26日高纬磁层顶通量管事件的观测研究——空间电流密度计算及分析

讨论了三种根据ClusterⅡ四颗卫星的磁场测量数据计算空间电流的方法及其误差 ,论证了这几种方法的内在一致性 ,并得到了完全相同的计算结果 .进而依据ClusterⅡ磁场探测资料 ,计算了 2 0 0 1年 1月 2 6日多重磁通量管和FTE事件中高纬磁层顶边界层和磁鞘区的电流密度 .结果表明 ,磁通量管内电流密度较大 ,可达到约10 - 8A m2 ;计算精度较高 ,结果可靠 .本文还应用最小方差分析法 (MVA) ,发现电流方向与通量管的轴向基本一致 ;论证了电流MVA分析在研究通量管性质时的作用 。

2001年1月26日高纬磁层顶通量管事件的观测研究

20 0 1年 1月 2 6日 11:10～ 11:4 0UT ,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Bz 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～ 2RE,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 .

探测一号卫星在近地磁尾观测到的尾向流统计特性

在磁静和亚暴期间,TC-1卫星在近地磁尾,包括晨昏两侧和夜侧的尾瓣、等离子体片边界层和等离子体片区域都观测到大量来自电离层的尾向流事件.尾向流在赤道面附近最强,在夜侧较晨昏两侧强;尾向流有从晨昏两侧向夜侧运动的趋势;尾向流随距地球距离增加而逐渐增强.与来自中磁尾的地向流相比,近地磁尾近赤道区域来自电离层的尾向流具有低温高密特性.2004年7月1日至2004年10月31日期间TC-1卫星在近地磁尾(7RE^13RE之间,RE为地球半径)观测到持续时间超过3min的尾向流共516起.对这516起尾向流的统计研究结果显示:(1)尾向流在从等离子体片边界层向等离子体片的运动过程中流速会逐渐减弱、密度逐渐增高,温度有逐渐下降的趋势;(2)对尾向流平行温度和垂直温度的分析显示不同等离子体区域的尾向流都有较明显的各向异性;(3)在从等离子体片边界层向等离子体片的运动过程中,尾向流逐渐趋向各向同性.

南大西洋地磁异常区的辐射环境与低轨卫星粒子辐射通量计算

利用国际地磁参考场模型ＩＧＲＦ９０，分析了南大西洋异常（ＳＡＡ）区磁场变化的特征，计算了低轨卫星轨道积分粒子辐射通量及其随年代的变化。结果表明，在ＳＡＡ上空，同一高度上的磁场随时间的推移而减弱，粒子辐射通量随时间的推移而增加．对不同高度的卫星，轨道积分粒子辐射通量随年代的变化相差很大，低轨（＜１０００ｋｍ）卫星的变化明显，而＞１０００ｋｍ时变化很小．粒子辐射通量随时间变化的主要原因是ＳＡＡ区的磁壳结构畸变和“移动”，因此，计算不同年代的轨道粒子辐射通量，应使用同年代的磁场模型。近期卫星测量结果表明，这一论断与观测相符。本文提供的计算轨道积分粒子通量方法，结果的可靠性较高，对卫星的合理设计，载人飞船的辐射防护以及卫星的正常运行都有重要参考价值。

亚暴膨胀相近磁尾位形不稳定性模型Ⅱ.中磁尾等离子体流与近磁尾亚暴活动的关系

在单流体MHD近似下，研究了有背景等离子体流存在时的近磁尾位形不稳定性．分析表明，等离子体地向流使两支漂移气球模DBM1和DBM2的不稳定增长更快．与卫星观测资料对比显示，诸多的观测观象与本模型的预言一致．这个结果对中磁尾磁场重联及高速等离子体流与亚暴膨胀相在近地触发之间的关系给出了新的解释．

极光粒子沉降研究:谱形式及其在极区大气中的传输

分析了近年来南极地区极光沉降粒子的卫星、火箭、地面观测和研究结果，分别给出了极光椭圆区、极盖区、南大西洋异常区和极尖／极隙区粒子沉降的形式来源和特点。并根据磁尾研究的新进展，提出极光粒子沉降谱存在另外两种形式谱：（１）κ分布谱；（２）κ分布加上一个或多个脉冲谱，这两种谱来源于磁尾中性片区（绝热区非绝热区）。南极不同的区域，极光粒子有不同的沉降特点。这些沉降对极区电离层产生极大的影响。根据带电粒子在磁化大气中运动的ＦｏｋｋｅｒＰｌａｎｋ 方程，利用带电粒子在大气中传输的电离理论，导出极光粒子谱在极区大气中传播的解析表达式，对各种极光粒子谱在极区中的演化规律加以分析。

一次磁层亚暴期间磁场偶极化的尾向传播

利用TC1、Cluster和Polar结合极光和同步高度及地磁的观测,研究了2004年9月14日1730～1930UT时间段的亚暴偶极化过程.此前行星际磁场持续南向几个小时.亚暴初发(Onset)开始于1823UT.2min之后,同步高度的LANL-02A在子夜附近观测到了明显的能量电子增强(Injection)事件,而TC1在1827UT左右在磁尾(-10,-2,0)RE(GSE)观测到了磁场BX的突然下降,伴随着等离子体压强和温度的突然增加及磁场的强烈扰动.在(-16,1,3)RE(GSE)的Cluster上相同的仪器观测到相同的现象,只是比TC1观测到的晚大约23min,在1850UT左右.虽然Polar在更靠近地球的较高纬度(-7.5,3.5,-4.0)RE(GSE)附近,也在1855UT左右观测到了这种磁场偶极化现象.以上的观测时序表明TC1、Cluster观测到的磁场偶极化比亚暴偶极化初始发生分别晚4min和27min.说明偶极化由近磁尾向中磁尾传播.详细计算表明偶极化源区的位置大约在X=-7.7RE～-8.6RE,而传播速度大约为70km.s-1.在这个事件中亚暴的物理图像可能是中磁尾的近地重联产生的地向高速流到达近磁尾,为近磁尾的亚暴触发创造了条件;亚暴在近磁尾触发之后,磁场偶极化峰面向中磁尾传播.

来自电离层的尾向流对近地磁场位形的影响

探测一号(TC-1)卫星的观测结果表明,尾向流能够拉伸近地磁尾的磁力线,从而导致磁场位形改变．尾向流具有垂直于磁场的速度分量,这种垂直磁场的速度分量会导致磁力线向尾向拉伸,磁场的结构由偶极型变为非偶极型．而随尾向流的终止,地向流的出现,磁场的结构由非偶极型变为偶极型,磁力线恢复原状．另外在磁场的结构由非偶极型变为偶极型的过程中,伴随磁能的释放热离子温度的迅速升高,温度由各向同性逐渐趋向各向异性．其次,观测结果显示来自电离层的尾向流对磁场By分量有重要的影响,能够引起磁场By分量的显著增强．上述分析结果表明来自电离层的尾向流对近地磁尾动力学过程有着重要的影响．

地磁活动与太阳活动对环电流离子成分与位置的影响

根据CRRES卫星上MICS离子成分探测器的观测资料以及前人有关AMPTE卫星的观测数据 ,研究了地磁活动和太阳活动性对环电流成分以及各种环电流离子的最大通量位置的影响 .观测表明相对于地磁平静时期 ,在地磁活动的活跃时期 ,环电流中O+ 、He+ + 和He+ 离子的数密度和能量密度占环电流总数密度和总能量密度的份额增加 ,相反H+ 离子所占的比例却明显减少 .太阳活动极大年时环电流中H+ 离子丰度比极小年时低 ,而O+ 和He+ + 离子的丰度却比太阳活动极小年时高 .卫星数据观测还表明 ,在地球磁暴期间 ,环电流中O+ 离子和He+ 离子的最大通量位置会随着地磁的活动径向移动 ,平均来看太阳活动极大年的能量粒子最大数密度位置距离地球比极小年时约小 0 .5RE(RE为地球半径 ) .

亚暴事件中磁尾多重等离子体团的数值研究(Ⅰ)

GEOTAIL卫星于1994年1月15日亚暴期间，在深磁尾（x＝96RE）观测到多重等离子体团及与之相对应的高能离子爆，作者以宁静磁尾平衡位形为初态，考虑介质的可压缩性，数值研究亚暴期间磁尾动力学过程．计算结果展现了等离子体团间歇性形成及其运动发展过程．体现了强亚暴事件中储存于碰尾的能量，通过多重等离子体团的排放而逐渐释放的进程．数值结果还表明：持续施加于边界上的晨昏电场及由此引发的驱动重联是导致等离子体团准周期形成的主要因素．此外，作者还考察尾瓣内任一点磁场强度及其分量随时间的演化，它与行进压缩区（TCRs）的观测特征基本相符．

涡旋诱发重联模型(Ⅰ)——动力学特性

本文首先从理论上系统地研究了涡旋诱发重联的基本动力学特性.包括:涡旋诱发重联的物理机制;Kelvin—Helmholtz(K-H)不稳定性和撕裂模不稳定性耦合过程;磁流体涡管的基本特性;不同尺度涡旋间的相互作用,动能和磁能间的转化及准稳态时流线、磁力线、等涡度线和等电流密度线的相似性等.用二维MHD数值模拟方法研究了上述一些特性,并与理论分析结论进行了比较.结果表明,模拟结果证实了理论推论.涡旋诱发重联是产生局部磁场重联的重要机制之一,该模型在磁顶区的应用将另文发表.

磁层中重离子O＋通量密度分布的理论研究

应用求解得到的分布函数，研究了北半球子午面内极光带区起源的重离子Ｏ＋在磁层中的通量密度定态分布及其特性．结果表明：（１）重离子Ｏ＋通量密度分布沿ＧＳＭＺ轴方向呈峰状结构，其峰值随地心距离增大而减小，在近地空间减小较快；（２）磁扰动时，Ｏ＋离子占据的空间范围较磁宁静时大，通量峰较不突出；（３）理论估算的磁尾等离子体片边界层附近重离子Ｏ＋通量密度与观测结果相一致．