地球磁层对太阳风动压脉冲结构响应的研究进展

综述了近年来国内外关于磁层对太阳风动压脉冲结构多时空尺度响应的观测结果以及物理模型。另外报道TC-1卫星在近地磁尾等离子片区观测的激波直接驱动磁尾等离子体片等离子体振动增强的新现象,并利用GOES飞船、LANL系列飞船,以及地磁数据,分析了该现象发生时地球同步轨道和地面对动压脉冲结构的响应。

行星际激波对地球磁层的压缩效应分析

2004年11月9日WIND飞船探测到一个典型的行星际激波.激波前行星际磁场为持续约50 min的弱南向磁场,越过激波面,磁场发生北向偏转且太阳风动压脉冲增强.在此强动压脉冲增强结构作用下,磁层被压缩至一个很小的区域.激波作用于磁层时引起地球同步轨道各区域高能粒子通量的响应,但是不同磁地方时的高能粒子通量的响应不同,表现出双模式扰动,即在晨昏两侧各能段的电子和质子通量显著增强,在子夜侧发生类似于亚暴的无色散粒子注入现象.扰动从向阳面传输到背阳面,向阳面粒子通量最先增强,随后背阳面靠近晨昏两侧,粒子通量开始增强,最后子夜侧粒子通量表现出无色散高能粒子注入的特点.另外,在靠近正午侧,质子通量先于电子通量发生响应,在子夜侧电子通量则先于质子通量发生响应.利用位于向阳面正午两侧的GOES-10和GOES-12卫星观测数据发现,激波作用于磁层时靠近晨侧的磁场变化表现出简单压缩效应,而靠近昏侧的磁场变化则显然不同,B_x分量减弱,B_z分量几乎减为零,而B_y分量则显著增强.此外,位于近地磁尾低纬尾瓣区的TC-1卫星观测到激波触发的尾瓣SI现象.

电离层氧离子外流对磁层的影响

在强地磁扰动时期,电离层重离子如O^(+)离子与磁层注入的阿尔芬波在发生波粒相互作用后,会横向加速成为超热离子,通过磁镜力向上加速外流到磁层.这一类超热O^(+)离子外流会显著影响太阳风—磁层—电离层耦合系统的动力学过程.本文重点讨论了电离层O^(+)离子外流在磁层的分布特征,以及这一类外流对磁层对流模式的影响.电离层外流入磁层的O^(+)离子存在“速度过滤效应”,即外流离子的分布由离子外流速率决定.对于初始场向速度较快(约50 km/s)且温度较高(约100 eV)的外流O^(+)离子,它们更容易直接流到远磁尾损失掉,这对磁层结构的影响较弱.而初始场向速度较慢(约3 km/s)温度较低(约1 eV)的外流O^(+)离子,会在对流环流中被加热并填充内磁层和等离子片区域.这会显著影响环电流和重联过程,并改变Dst指数.即指一类速度在3 km/s量级的O^(+)离子外流相比更快的外流可以更显著的磁层物质成分和磁场拓扑结构.电离层O^(+)离子外流与夜侧重联区相互作用,既可能引发磁层对流的孤立亚暴,还可能引起周期为2~3小时的锯齿振荡对流模式.在理想的强南向IMF驱动条件下,随着O^(+)离子外流率从1026#/s量级增加到1027#/s,更多O^(+)离子进入等离子片被储存能量,使得磁尾逐渐膨胀并伴随着磁重联位置向后移动.当磁场张力不平衡时会释放储存的等离子体及能量,从而产生一次亚暴.在该质量加载引起的亚暴期间,大部分释放的离子会流向其他区域直接损失,少部分会重新回到等离子体片.持续存在的外流O^(+)离子可以重新填充等离子体片并在几个小时后重复以上过程,最终产生周期性的亚暴,即锯齿振荡.此外,模拟通过考虑O^(+)离子外流效应,重现了2002年4月18日一次磁暴恢复相期间的一系列准周期性锯齿震荡.说明除了太阳风周期性驱动条件,O^(+)离子外流也可能是锯齿震荡的一个产生因素.最后,在此基础上展望未来,提出了几个尚待解决的科学问题.

地球磁层对磁云边界层的大尺度响应分析--个例研究

主要分析了WIND飞船2004年11月9日探测的磁云边界层引起的大尺度地球磁层活动.磁层响应主要包括以下3个方面:(1)磁云边界层内本身持续较强南向磁场驱动了一个强磁暴的主相.(2)由于磁云边界层内部较强南向磁场持续一段时间后发生向北偏转触发了一个典型磁层亚暴.文中详细分析了亚暴膨胀相发生时夜侧磁层各区域的观测现象,包括极光观测、高纬地磁湾扰、地球同步轨道无色散粒子注入现象、Pi2脉动突然增强以及等离子体片偶极化现象等.(3)磁云边界层和前面鞘区组成一个动压增强区,此动压增强区强烈压缩磁层,致使磁层顶进入地球同步轨道以内;当磁云边界层扫过磁层时,位于向阳侧地球同步轨道上的两颗GOES卫星大部分时间位于磁层磁鞘中,以致很长时间内直接暴露在太阳风中.利用Shue(1998)模型计算得到当磁云边界层扫过磁层时磁层顶日下点的位置被压缩至距地心最近距离为5.1RE,磁云边界层的强动压结构以及强间断面决定了磁云边界层对磁层的强压缩效应.强动压结构、多个强间断结构以及持续较长时间的强南向磁场是许多磁云边界层的共性,这里以此磁云边界层事件为例分析了磁云边界层的地球磁层响应.

极光亚暴对太阳风压强激波的响应

研究了Ｐｏｌａｒ等对ＩＳＴＰ卫星观测的两个极光亚暴事件，此两事件与日冕物质抛射相关的太阳风压强微波到达地球有关．提出大阳风压强激波经过地球时，沿途冲击磁层顶激发磁流体快波，快Ａｌｆｖｅｎ波横越具有较高局地 Ａｌｆｖｅｎ速度的磁尾尾瓣，将压缩效应迅速传递到内磁层及等离子体片，在 １～２ｍｉｎ内建立起强越尾电流，进而触发磁层亚暴．