地球弓激波及其与行星际激波相互作用

给定地球轨道附近的行星际条件和地球弓激波的几何位形,本文分析向阳侧弓激波强度参数沿激波阵面的分布,以及行星际激波与弓激波的相互作用.对于弓激波阵面相对日地连线轴对称的情形,得到如下结论:(1)弓激波强度参数分布相对由行星际磁场和日地连线构成的基准面对称,各激波强度参数的最大值出现在基准面上.磁压比在垂直激波线一侧较大,而气压比在平行激波点一侧较大,导致总压比相对日地连线大致呈轴对称分布.(2)随着行星际磁场与日地连线夹角的增大,弓激波强度参数的最大值有所减小,且位置朝远离日下点方向偏移;但气压比和总压比的分布基本上不受影响.(3)行星际激波透过弓激波之后,切向磁场比更接近于1,但总磁场跳变幅度增大.(4)透过弓激波之后,行星际准垂直激波的总磁场比更接近于1,准平行激波的总磁场比则反之.

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_∥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.

地球弓激波前的低频磁流体波

一、引言 在地球弓激波前存在着低频磁流体波。这种低频磁流体波是太阳风在地球弓激波上的反射粒子和太阳风粒子之间相互作用产生的。根据人造卫星的观测资料可以得到,在地球弓激波前。

弓激波前内透射离子动力学横场流电磁不稳定性

本文研究了地球弓激波前内透射离子动力学横场流不稳定性.电子速度分布函数采用平顶形式.对包含电磁效应的完整色散方程进行了数值求解.结果表明,增长率峰值比采用电子Maxwellian速度分布情形的值要大得多.同时在高速离子横场流和近乎垂直传播情况下,在色散方程中需要计入与电子贡献有关的含高阶Bessel函数的项.

弓激波前内透射离子动力学横场流静电不稳定性

本文讨论了地球弓激波前内背景电子速度分布函数为平顶形式时的透射离子横场流静电不稳定性.结果表明,在超临界(Alfvén Mach数M_A>3)准垂直激波区(激波法向与行星际磁场之间的夹角75°)情况下,透射离子流产生的静电不稳定性增长率峰值要比电子速度为Maxwell分布时更加显著,并满足动力学性质.

弓激波模型的对比

使用Cluster卫星的弓激波穿越数据,比较了Peredo弓激波模型、Merka弓激波模型、Chao弓激波模型和Lu弓激波模型在极端太阳风条件、偶极倾角较大和平静太阳风条件下的预测精度.结果表明:Peredo模型在极端太阳风条件和平静太阳风条件下的预测误差均较大;Merka模型在极端太阳风条件下的预测误差较大;Chao模型可以较为准确地描述平静太阳风条件下的弓激波位型,但不能准确描述偶极倾角较大时的弓激波位型;Lu模型可以同时准确描述极端太阳风条件和平静太阳风条件下的弓激波位型.

地球弓激波的三维模拟

利用磁流体动力学(MHD)全球模拟结果,根据弓激波的跃变特性确定出弓激波位置,建立了一个新的综合考虑了快磁声马赫数、太阳风动压、行星际磁场强度以及磁层顶曲率半径的弓激波三维位型模型.将新模型与以往模型的模拟结果进行比较发现,新的弓激波全球模型结果可靠,解决了部分现有模型不能描述弓激波三维位型的问题.研究结果表明,在行星际磁场北向时,随着快磁声马赫数的增大,弓激波日下点距离减小,但是在行星际磁场南向时,快磁声马赫数的变化对弓激波日下点距离影响不大;弓激波位型在赤道面与子午面上存在明显的不对称性,而且随着行星际磁场的转向,这种非对称性也会发生相应改变;行星际磁场南向,Bz值较小时,子午面内弓激波位型已经不是简单的抛物线,出现了明显的类似于极尖区磁层顶的凹陷变化区.

偶极倾角对弓激波日下点距离和尾部张角的影响

通过对IMP 8,Geotail,Magion 4和Cluster 1四颗卫星弓激波穿越数据的统计及拟合分析,定量研究了偶极倾角对弓激波日下点距离和尾部张角的影响.结果表明:弓激波日下点距离随偶极倾角绝对值的增大而增大,且偶极倾角为负值时比其为正值时日下点距离增大的幅度更大;弓激波尾部张角随偶极倾角绝对值增大而减小;当偶极倾角由负变为正的时候,弓激波向地球一侧移动,同时尾部张角增大.研究结果为进一步建立包含偶极倾角效应的弓激波模型奠定了基础.

强激光产生的强磁场及其对弓激波的影响

强激光照射金属线圈后,会在打靶点附近的背景等离子体中诱发冷电子的回流,在金属丝内形成强电流源,从而产生强磁场.本文利用神光II高功率激光器产生的强激光照射金属丝靶,产生了围绕金属丝的环形强磁场.利用B-dot对局域磁感应强度进行了测量,根据测量结果,结合三维模拟程序,反演得到磁场的空间分布.再利用强激光与CH平面靶相互作用产生的超音速等离子体撞击该金属丝,产生了弓激波.通过光学成像手段研究了磁场对冲击波的影响,发现磁场使得弓激波的轮廓变得不明显并且张角变大.同时,通过实验室天体物理定标率,将金属丝表面等离子参数变换到相应的天体参数中,结果证明利用该实验方法可以在实验室中产生类似太阳风的磁化等离子体.

行星际磁场By对弓激波影响的MHD结果

利用全球磁流体模拟的结果,本文研究了行星际磁场By对弓激波位型的影响.结果显示:随着行星际磁场By绝对值的增大,弓激波的日下点距离、旋转对称张角、南北非对称性以及旋转非对称性均随之增加.其中,By对弓激波日下点距离的影响可达5 R E左右.东向By和西向By对弓激波位型影响具有对称性,东向By和西向By大小相同时弓激波日下点距离、旋转对称张角以及旋转非对称性参数均相同,而南北非对称性参数大小相同正负相反.行星际磁场By占主导时弓激波尾部横截面在南北方向上拉伸,并且拉伸程度随着By绝对值的增大而增大,弓激波尾部横截面的拉伸现象与磁声波马赫数密切相关.

火星弓激波的基本特征与位形模型

由于火星没有内禀磁场,太阳风可以直接与火星大气和电离层相互作用,并在火星上游形成弓激波.过去几十年,利用弗伯斯2号(Phobos 2)、火星环球探测者号(MGS)、火星大气与挥发物演化(MAVEN)等探测器对火星空间磁场和等离子体的探测,研究人员对火星弓激波的基本特征、影响火星弓激波位形的主要因素开展了大量研究和探索,建立了火星弓激波位形模型.本文简要回顾了火星弓激波的探测历史和相关研究进展,重点关注火星弓激波的在轨观测特征、影响其位形的主要因素、火星弓激波二维和三维模型,并分析了一些值得探讨的科学问题.

基于ARTEMIS卫星数据的月球轨道附近地球弓激波位型研究

地球弓激波是超音速太阳风和地球磁层相互作用的产物,以往由于数据所限,人们发展的模型仅考虑了近地情况,而对于远地弓激波的位型,以及其他因素例如行星际磁场B_y对弓激波位型的影响,人们还不是很清楚.通过统计分析ARTEMIS卫星2011年1月至2015年1月期间的弓激波穿越事件,首先拟合修正了Chao弓激波模型(最常用的弓激波模型之一)中尾部张角a表达式的系数,得到适用于中远地(月球轨道处,地心距离-20R_E>X>-50R_E)弓激波的模型系数,然后研究了行星际磁场B_y分量对弓激波尾部张角a的影响.结果表明:(1)拟合的模型系数相对于原系数来说,在中远地与观测结果更吻合;(2)弓激波尾部张角a随行星际磁场B_y分量的增大而增大,且正的B_y对张角的影响比B_y为负的情况影响更大.研究结果为进一步建立包含行星际磁场B_y分量的弓激波模型提供了参考.

地质地球所发现水星弓激波上游驻哨声波

中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星重点实验室博士生汪洋与副研究员钟俊、研究员潘永信等,利用“信使号”对水星的观测,探讨了ICMEs经过水星期间弓激波的特征。研究发现,在ICMEs期间,驻哨声波普遍存在于水星弓激波上游。研究显示,在所有ICMEs经过水星的事件中,寻找到36个驻哨声波事件,发生率约为20%。相对于地球较少的报道,水星具有高发生率的特点。

火星空间大尺度电流体系分布特征

在MHD模型基础上,对火星空间环境的电流分布进行了模拟.结果表明,火星空间存在着弓激波电流、磁堆积区电流、电离层电流和磁尾电流.弓激波电流在激波曲面上均由北向南自成体系,电流密度在弓激波顶区域较大.在向阳面磁堆积区边界电流与电离层电流彼此耦合形成完整的回路,在背阳面磁堆积区边界电流与磁尾中心电流片耦合形成完整的回路.

基于Cluster卫星观测的太阳风热流异常事件的分析研究

太阳风热流异常(HotFlow Anomalies,简称HFAs)是在地球弓激波附近发生频率较高的现象.本文利用Cluster卫星2003～2009年的数据,找出7年中观测到的765个HFA事件.本文采用个例分析方法研究HFA事件中心前后5min,进而采用时间序列叠加分析方法研究HFA事件中心前后100s中等离子体和磁场参数的变化.研究结果表明HFA事件按照动压随时间的增加、减少变化趋势可以分为"?+"(减小-增加),"+?"(增加-减小),"M"(增加-减小-增加)和"W"(增加-减小-增加-减小-增加)四类,其中字母表示其形状与动压变化趋势类似.其他参数变化趋势与动压的变化趋势高度相关,也相应呈现明显分类规律.此外,统计结果显示,HFA事件发生数量在不同年份有所差别,通过与太阳风速度和太阳黑子数的对比发现,事件数量与太阳风速度呈正相关而与太阳黑子数代表的太阳活动性不存在显著的相关关系.本文的结果为我们深入研究HFA事件形成机制、结构演化等问题提供了参考依据.