地球磁尾磁通量绳中哨声波的统计研究

哨声波被认为与地球磁尾磁通量绳的动力学有着密切的联系.之前的关于磁通量绳中哨声波的研究都是基于少数几个事件开展分析,并没有给出不同运动方向磁通量绳中的不同频带哨声波的空间分布特征,以及磁场功率谱密度和激发机制等.本文基于磁层多尺度卫星在2017年5月至8月穿越磁尾期间的观测数据,对地球磁尾磁通量绳中的哨声波进行了统计研究.根据磁场变化特征,磁通量绳被分成三个部分:前边界区、核心区和后边界区.根据与当地电子回旋频率(f_(ce))的相对大小,哨声波被分为下带(0.1f_(ce)~0.5f_(ce))和上带(0.5f_(ce)~f_(ce))哨声波.本文分别研究了地球磁尾地向运动和尾向运动磁通量绳中的下带和上带哨声波的空间分布特征,以及磁场功率谱密度和激发机制等.本文研究发现:(1)地球磁尾磁通量绳中观测到的哨声波主要是下带哨声波;(2)下带和上带哨声波都更易在地向运动和尾向运动磁通量绳的后边界区被观测到,并且在该区域它们的磁场功率谱强度也高于其他区域;(3)地向运动磁通量绳核心区的中心区域的下带和上带哨声波和尾向运动磁通量绳核心区的中心区域的下带哨声波可能是由垂直电子温度各向异性激发的;(4)在排除掉具有垂直电子温度各向异性的哨声波后,地向运动和尾向运动磁通量绳后边界区的上带哨声波可能是由电子束激发.本文的研究结果有助于理解哨声波对地球磁尾磁通量绳演化的影响和哨声波在磁尾动力学中所起的作用.

行星际磁通量绳尺度的幂律谱分布

利用最小二乘法拟合了1995年1月至2001年9月Wind卫星观测到的行星际磁通量绳。根据拟合所得磁通量绳的直径,分析了行星际磁通量绳在这段时间内的发生率随磁通量绳直径D变化的关系,发现磁通量绳的发生率P(D)随直径D的变化可近似以幂律形式表示为:P(D)≈64D-0.768。行星际磁通量绳的发生率相对其直径的幂律分布表明所有行星际磁通量绳很可能是同一类现象且有共同的源,即它们都是太阳上日冕物质抛射的行星际对应物,只不过小尺度的磁通量绳对应较小的日冕物质抛射。最后,对行星际磁通量绳、日冕物质抛射和太阳耀斑的可能关系做了讨论。

行星际磁通量绳尺度及能量研究

行星际磁通量绳是太阳风中一种重要的磁结构.从1995—2001年的Wind卫星的观测资料中认证了144个行星际磁通量绳.其时间尺度介于几十分钟到几十小时之间,其空间尺度呈现连续分布.通过估算磁通量绳单位长度的能量和总能量发现:磁通量绳的能量分布和耀斑的类似都呈现很好的幂率谱.通过讨论行星际磁通量绳和太阳活动爆发的关系,建议所有的小、中、大尺度通量绳都直接起源于太阳上的爆发,和磁云对应于通常的日冕物质抛射一样,中、小尺度的通量绳对应相对较小的日冕物质抛射.

行星际磁场与磁尾磁通量绳形成的关系

收集了Cluster卫星在2001-2005年间观测到的磁尾磁通量绳事件,并对磁通量绳(magnetic flux rope)形成及其内部磁场结构与行星际磁场(IMF)的关系作了统计研究.考虑磁通量绳被观测到时行星际磁场的条件,在所有73个磁通量绳事件中,行星际磁场By分量占有主导地位的事件有80%,且78%的事件具有与行星际磁场By分量相同方向的核心场.行星际磁场通过在磁层顶与地球磁场相互作用改变南北等离子体片内磁场相对方向,形成有利于磁通量绳形成的磁场位形,并且行星际磁场By分量的方向对磁通量绳内部核心场的方向具有决定性影响.从统计结果来看,磁通量绳的形成并不会依赖于行星际磁场Bz分量的方向.

MMS星座对磁层顶磁通量绳内离子惯性尺度结构的观测

利用MMS观测数据,对磁层顶通量绳内离子惯性尺度(d_i)的结构进行分析研究.结果发现,许多不同尺度(约1d_i至数十d_i)的通量绳内都存在具有d_i尺度的电流j_m,其方向在磁层顶局地坐标系的-M方向,即与磁层顶查普曼-费拉罗电流同向,由电子在+M方向的运动(v_(em))携带.这些电流结构具有以下特征:磁鞘与磁层成分混合,磁场为开放形态;离子去磁化,电子与磁场冻结;N方向(即垂直于磁层顶电流片方向)的电场E_n显著增大,幅度达到约20 mV·m^(-1),并伴有明显的尖峰状起伏,该增强和尖峰状起伏的电场对应于霍尔电场.分析表明,电流、电子与离子运动的偏离以及霍尔电场之间遵从广义欧姆定律,三者密切关联.进一步对磁层顶磁重联的探测数据进行分析发现,在很多重联区内也存在与通量绳内相似的结构,其尺度约为d_i量级,其中霍尔电场E_N、电流j_M和电子速度v_(eM)均与通量绳内对应物理量的方向相同且幅度相近.基于上述观测事实,采用经典FTE通量绳模型,对通量绳内电流、电子运动和霍尔电场的起源进行了初步探讨,认为其来源于磁层顶无碰撞磁重联区内的相应结构,并且后者在离子尺度通量绳的形成过程中起到重要作用.

利用Cluster卫星磁尾单事例研究具有复杂核心磁场结构的磁通量绳

2002年8月28日09:50 UT-10:50UT,Cluster卫星在地球磁尾观测到一次导向场磁场重联事件.卫星观测到磁场重联扩散区附近清晰的霍尔(Hall)四极型磁结构.由于导向场的存在,该四极型结构被扭曲变形.在该磁场重联事件中,卫星观测到多个磁通量绳,大部分磁通量绳的核心场极性与导向场极性一致.但是,其中一例磁通量绳的核心场结构极性较复杂.该例磁通量绳中心区域核心场强度出现峰值,核心场极性和导向场极性一致;中心以外区域的核心场极性和导向场极性相反.这种复杂核心场结构以前未见报道.通过最小方向导数法,发现该磁通量绳的轴向是弯曲的.C1和C3卫星穿越了磁通量绳弯曲部分,探测到核心场极性变化;C2和C4卫星位于C1和C3卫星的北侧,仅穿越了磁通量绳弯曲处的一部分,故核心场具有单极性.

小尺度行星际磁通量绳

行星际磁通量绳是太阳风中一种重要的磁结构在地球附近经常被卫星观测到,其直径分布约为0.0039~0.6266 AU,其时间尺度分布在几十分钟到几十小时之间.在行星际磁通量绳中,大尺度的磁云是行星际日冕物质抛射(interplanetary coronal mass ejec tion,ICME)的子集,其直径约为0.2~0.6 AU,持续时间通常在12 h以上.直径小于磁云的磁通量绳称为小尺度磁通量绳,其时间尺度通常小于12 h.其实磁云和小尺度磁通量绳并没有明显的尺度界限,行星际磁通量绳的尺度呈现连续分布.

利用Grad-Shafranov重构方法研究磁尾通量绳的特征参量和内部结构

2009年2月21日THEMIS-C卫星在磁尾X=-15.7RE(RE为地球半径,1RE=6371km)观测到典型的磁通量绳事件.采用Grad-Shafranov重构技术研究该磁通量绳的特性、内部磁场和电流结构.研究表明,磁通量绳不变轴位于GSM(geocentric solar magnetospheric coordinates)坐标为(-0.3975,0.8905,0.2213)的方向,基本位于晨昏方向;通量绳的横截面尺度约为2RE,内部轴向磁通量为1.3×106Wb.与经验模型相比,在对磁通量绳几何形状不做约束的情况下,重构出磁尾X=-15.7RE处磁通量绳横截面上的磁场、电流强度分布图像.通量绳核心部位具有无力场位形结构,而随着径向距离的增加,磁场在偏离轴对称分布的区域逐渐表现为非无力位形.

近尾无碰撞多重X线重联的观测

利用Cluster星簇sc3卫星2001年10月1日09：46-09：50UT时段磁场和等离子数据,探测到近尾尾向传播的两个磁通量绳,时间间隔为26 s.通量绳结构的尾侧存在高速地向流,地侧有高速的尾向流.同时观测到了尾向流的重联X线源区和地向流的重联出流区,直接地观测到了近尾无碰撞多重X线重联.

磁场重联中电子尺度的物理过程

磁场重联是等离子体中磁能转化为等离子体能量的重要物理机制之一,与太空中许多爆发现象密切相关.磁场重联是一个跨尺度的物理过程,其中发生在电子尺度的物理过程是影响重联触发和快速进行的关键,因此一直备受关注.2015年磁层多尺度(MMS)卫星发射后,其提供的前所未有的高精度观测数据使我们对电子尺度的物理过程有了新的认识.文章主要根据MMS卫星的观测结果,对磁场重联中电子尺度物理过程的最新研究进展进行了简要总结.我们将重联区域划分为电子扩散区、离子扩散区以及重联出流区,从多个角度总结了其中发生的电子尺度物理过程,主要涉及以下内容:电子扩散区在入流或出流方向上可以形成多层结构,其形成过程可能涉及到多种不稳定性;电子扩散区内的新月形分布受Hall电场以及电子曲折运动等多种因素的影响,使得某些情况下该区域内的电子分布不再呈现出新月形分布;电子扩散区内的等离子体波动可以有效地加热电子以及提供反常电阻来打破磁冻结条件,在重联中起到了关键作用;电子扩散区中的非理想电场可以由电子压强张量项平衡,但有些事件中反常电阻项可能占据主导;离子扩散区中电子尺度相干结构的形成和演化过程对能量转换和耗散十分重要,包括磁岛合并驱动的湍流过程、开尔文—亥姆霍兹不稳定性触发的次级重联以及动理学尺度磁洞的形成等;重联出流区中磁通量绳之间的合并以及磁通量绳与背景磁场的重联可以通过多尺度耦合释放磁能,并且磁通量绳内部可以通过多种加速机制激发高能电子的产生;重联锋面附近往往对应着各种等离子体不稳定性以及强电流结构,在磁能释放中起到了重要作用.此外,我们简单探讨了磁场重联在电子尺度的触发机制,如湍流中的唯电子重联以及磁尾由电子动理学驱动的磁重联等.最后讨论了多尺度耦合过程在磁重联中的重要性以及目前尚未解决的部分关键科学问题.

空间等离子体中的动理学平衡态结构模型

空间等离子体环境中存在着大量尺度不一的电磁结构,如电流片、磁洞、磁通量绳等,它们的尺度大至磁流体动力学尺度,小至离子甚至电子动理学尺度.随着卫星观测水平的提高,人们已对这些结构内的电磁场和粒子分布拥有了更多的认知,但仅借助观测本身仍难以完整描述它们的三维结构.因此,对这些结构开展理论和数值模拟研究极为重要.本文简要介绍了一种对空间电磁结构进行理论建模的通用框架,即从Vlasov-Maxwell方程出发构建动理学平衡态自洽解,再将其与卫星观测进行对比.近年来,这套方法已被广泛应用于对空间电磁结构的建模和重构,证实了动理学平衡态结构在空间中的大量存在.同时,这种方法也可以作为初始条件应用于结构演化的模拟.最后,本文指出了这一方法目前存在的问题,并提出了几个可能的发展方向.

TC-1对近地磁尾地向等离子体团的观测

分析了2004年07月～09月双星计划TC-1卫星在磁尾的磁场数据,发现近地磁尾存在等离子体团(plasmoid).给出了TC-1对近地(X>-13RE处)等离子体团的观测结果.根据等离子体团内磁场结构的不同,分析两个事件:2004年09月14日磁环(magnetic loop)型的等离子体团具有闭合磁力线结构,2004年08月06日磁通量绳(magnetic flux rope)型的等离子体团具有开放磁力线结构.两个事件与背景流场相比都具有高速地向速度.粒子可以沿着开放的磁力线从磁通量绳逃逸出来,而磁环由于其闭合磁力线结构可以束缚住粒子.TC-1对磁尾地向等离子体团的观测又一次为多X线重联在磁尾的发生提供了证据并表明重联地点应该位于X<-10RE的磁层尾部区域.