扭转Alfvén波共振的数学描述

提出完备正交函数基(OFSE)展开方法,求解冕环中无耗散扭转Alfvn波。每个基函数对应冕环中每根磁力线的一个固有角频率ω_n,当冕环足点驱动频率等于磁力线的固有频率时,Alfvn波将在这根磁力线处发生共振。采用OFSE方法求解了双足点驱动时冕环Alfvn波的时变演化问题,给出了时变解析解的新形式,其中包含共振项,从共振项可以发现,在共振角频率为ω的共振磁力线附近,在时间t为π/ω的整数倍时,出现δ型间断;在t为π/(2ω)的奇数倍时,出现1/x间断。共振磁力线振幅随时间线性增加,增加的斜率正比于Alfvn波速,反比于冕环长度,与驱动频率无关。

ULF波及其与能量粒子相互作用研究进展

地球磁层中的超低频波(ultra low frequencywave,简称ULF波)的全球分布特性以及与能量粒子之间的相互作用,如ULF波和粒子之间的共振调制、对能量粒子的加速等问题一直是空间物理研究中的热门问题.深入研究这些问题对于理解太阳风和磁层之间的能量传输,能量粒子加速等机制问题有着很重要的意义.本文简要介绍有关ULF波的全球分布及其与能量粒子之间共振调制的最新观测研究进展,并对将来研究工作中的问题和方向做一个简单的总结和展望.

磁暴时ULF波多卫星联合观测研究

利用Cluster C1,GOES10,12和Polar四颗卫星的观测数据,研究了在2003年10月31日21:00～23:00 UT磁暴恢复相期间,地球磁层内大尺度ULF波的全球分布特征.数据分析结果表明,位于磁层不同区域的卫星观测到的ULF波的幅度、周期等性质差别很大.对ULF波幅度的全球分布来说,ClusterC1观测到的环向模最强,这可以解释为Cluster C1所在区域内发生了磁力线共振:空腔共振的压缩波模将能量耦合传递给磁力线共振的剪切阿尔芬波,从而观测到了到的很强的环向模.对ULF波周期的全球分布来说,ClusterC1观测到的波的频谱峰值周期最短,同步轨道高度的GOES卫星观测到的峰值周期较长,而位于更远处的Polar卫星观测到的峰值周期最长.Cluster C1在L=11.7～5.3范围内观测到环向模的周期几乎相同.GOES10和Cluster C1的三种波模的平方小波相关分析表明磁力线共振区域在向日面磁层至少扩展了四个地方时的宽度范围.Polar卫星观测的环向模是驻波,而极向模是行波,这可能是开放的磁尾波导模作用的结果.由于在时段内的太阳风速度很高而动压变化不明显,因此推测观测到的ULF波是高速太阳风在磁层顶激发的Kelvin-Helmholtz不稳定性激发的.

太阳风正负动压脉冲激发磁层ULF波的数值模拟

磁层中的超低频波动(Ultra Low Frequency Wave,简称ULF波)通常被认为是由外界太阳风/行星际磁场扰动或者磁层内部的等离子体不稳定性激发的.当太阳风动压脉冲作用于磁层顶时,可能在磁层内部激发ULF波,从而将太阳风能量输运到地球磁层中.本文利用磁流体力学(MHD)数值模拟研究不同形式的太阳风动压脉冲作用下,在磁层中激发的ULF波的性质.我们主要关注地球磁层对太阳风动压正/负脉冲以及太阳风动压正-负脉冲对的响应.模拟结果表明,幅度和周期均相同的太阳风动压正脉冲和负脉冲,在磁层中所激发的ULF波幅度,周期均相同,然而相位相差180°.另外,对一个太阳风动压正-负脉冲对作用于偶极磁层的情况,在地球磁层内的某些特定区域仍可观察到磁力线共振(FLRs)现象,磁力线共振的区域分布和动压脉冲的周期以及动压脉冲对之间的时间间隔有关.同时模拟计算结果还表明,与单一脉冲相比较而言,在动压脉冲对的作用下,太阳风能量可以传递到地球磁层中更低纬度的区域.因此本文结果可以帮助我们更好地理解太阳风能量通过ULF波形式输运到地球磁层的机制;同时,还可以为研究有关内磁层中能量粒子对不同的行星际激波的响应方式提供线索.

行星际激波引发的电离层总电子含量波动的观测研究

行星际激波能使近地空间发生剧烈扰动.本文使用高时间分辨率(1 s)的地面GPS接收机数据,分析了2015年3月17日行星际激波事件中电离层总电子含量(TEC)的扰动.研究发现,激波到达地球后, TEC扰动呈现出超低频波动的特征,且不同纬度区域的波动特征不同:极区台站观测到的TEC波动幅度为~0.4 TECU,持续时间10 min以上,波动周期2~3 min,随穿刺点纬度的升高而增大;中低纬地区台站观测到的TEC波动幅度为~0.2 TECU,持续时间5~10 min,波动周期均为2 min左右.我们认为等离子体层的存在可能是导致这种TEC波动差异的原因,同时我们认为极区的TEC波动可能与磁力线共振有关,中低纬地区的TEC波动可能与空腔模振荡有关.本工作利用GPS TEC技术探测到了由行星际激波引发的电离层TEC波动,这将有助于进一步理解超低频波动在地球磁层-电离层系统中的性质,同时也进一步显示出GPS TEC技术在近地空间环境研究中的重要作用.