Ulysses观测的太阳风结构的三维MHD模拟

Ulysses是迄今为止第一次沿独特的日球纬度方向考察日球高纬度空间区域的飞船. 1994年9月～1995年6月首次从南极向北极的快速穿越过程中, 观测到子午面内太阳风除黄道面附近 ( 20o区域外, 高纬度区域存在大范围高速流. 以该期间具有一般性和代表性的Carrington 1893周的太阳源表面磁场及K-日冕亮度的观测为依据, 将太阳表面的特征结合到模式的初边值中, 用三维MHD模式模拟得到了与Ulysses的观测基本一致的太阳风结构. 结果表明源表面磁场和等离子体数密度的分布是形成这种结构的主要原因, 采用的三维MHD模式具有模拟子午面太阳风大尺度结构的能力.     

非周期多层电流片中的非稳态磁场重联

多层电流片是空间等离子体中一种普遍的现象.例如,太阳风中就观测到多层日球层电流片结构.在多层电流片中发生的各种动力学过程可能对太阳耀斑、日冕加热、太阳风与磁层耦合等有着重要影响.一些作者应用解析和数值方法讨论了双层或周期电流片中撕裂模不稳定性的特征,发现反对称模的增长率远大于对称模.本文的目的是应用磁流体力学模拟方法数值研究非周期三层电流片中的磁场重联过程,发现与周期电流片不同,这是一种复杂的非稳态磁场重联.随着重联过程的发展,初始的反向电流片将逐渐消失,并在相应位置形成一个大的磁岛. 对于二维((?)/(?)_z=0)二分量(B_z=0,V_z=0)问题,初始磁场取为B=B_x(y)i_x,且     

太阳极轨天文台

太阳极轨天文台利用高轨道倾角(≥80°)和小椭偏率轨道,将首次实现正面对太阳极区磁场和速度场高精度成像观测,结合多波段遥感和原位测量,为解决太阳磁活动周起源的世纪难题提供决定性观测,为破解“原始”高速太阳风的起源效应之谜提供直接观测支撑,为理解日球层整体结构突破性创建数据驱动的日球数值模型.     

向阳侧磁层顶通量绳结构的观测与模拟研究

2001年3月2日11︰00~11︰15 UT期间, Cluster星簇卫星在向阳侧磁层顶发现具有明显核心磁场的通量绳结构. 4颗卫星(Cluster 1~4)在不同位置的磁场记录曲线具有类似特征: 在磁层顶边界法向坐标系(LMN坐标系)中, 法向磁场BN分量3个−/+型双极变化均伴随着磁场B_M分量与磁场强度B值的增大. 数值求解二维三分量MHD方程组, 模拟研究向阳侧磁层顶在太阳风入流作用下的驱动重联过程, 结果展示了具有核心场磁结构的重复形成. 在电流片中取一点, 作出磁场强度B及其3个分量B_x, B_y, B_z随时间演化曲线, 计算结果与上述事件的观测特征基本相符.     

MHD模拟磁尾横断面结构与太阳风粒子注入机制

基于全球三维磁层MHD（Magnetohydrodynamics）模拟模型, 研究了行星际磁场（Interplanetary Magnetic Field, IMF）北向与南向时磁尾横断面（X=?18 R_E）的结构及等离子片的粒子注入机制. 模拟结果很好地符合一些已知的观测数据和经验模型. 从向阳面磁层顶IMF及重联后磁力线尾向运动过程的角度, 对磁尾横断面粒子热压力分布、磁力线投影、等离子片或电流片旋转、粒子流场分布等结构进行了合理的解释. 根据模拟得到的磁尾横断面结构, 及IMF北向与南向时磁力线投影显著不同的位形, 可以通过E×B漂移很好地说明不同IMF条件下, 太阳风粒子对磁尾等离子片的不同注入特性. 另外, 还通过磁尾横断面磁场梯度的计算, 说明了太阳风向等离子片粒子注入的晨-昏不对称性.     

太阳活动低年附近等离子体质量、动量和能量全日面输出流量的速度谱分析

自1958年Parker预言行星际空间存在太阳风等离子体流以来,它的源区及加速机制一直是空间物理学界面临挑战的难题之一。30多年来人们在观测和理论两方面都作了大量研究。最近我们借助由行星际闪烁观测推算的太阳风速度和K日冕亮度观测来获取日冕高度全日面等离子体质量、动量和能量输出流量(F_M、F_P和F_E)的二维大尺度平均结构,并和同期光球磁场的平均结构相比较。本文以此为基础,针对不同磁结构区太阳风等离子体的质量、动量和能量输出流量与速度的关系进行了分析,获得了一些发人深思的新结果。     

磁场重联扩散区域中磁零点结构的观测研究

磁重联是能量转换的非常重要的基本等离子体物理过程之一. 过去磁场重联的理论、数值模拟和观测研究, 大多是集中在二维模型下进行, 而实际的磁场重联涉及三维非线性过程, 对于三维情况下磁场重联及其相关的奇异结构的基本性质现在还未完全解决. 通过高斯积分引入Poincaré指数, 将其离散化, 利用Cluster四颗卫星所测得的磁场, 研究了磁场重联扩散区中磁零点结构, 通过计算零点位置和轨迹, 估算了其运动速度和轨迹, 并结合零点附近电流的特征将观测与零点重联模型进行了比较和讨论.     

台风麦莎(Matsa)的波状降水特征研究

采用地面加密观测资料、中国风云2号卫星黑体亮度温度(TBB)资料以及NCEP1° × 1°再分析资料, 分析2005年8月登陆中国的台风Matsa大范围暴雨带的结构特征, 研究台风激发的大气波动、大气三维结构及其与台风雨带的关系. 采用观测实事、诊断分析与大气波动理论, 探讨这类台风引起的远距离暴雨带的形成机理. 结果表明: (ⅰ) Matsa雨带具有显著的波状分布特征和远距离传播特征. (ⅱ) 雨带从台风中心向北绵延达2000 km, 波长约500~1000 km, 波动周期12~24 h. (ⅲ) Matsa雨带分布的波状结构与台风周围大气的三维结构特征, 包括扰动涡度散度场、垂直运动场和水汽通量散度场等相应的波动变化特征有密切关系. (ⅳ) 观测实事和理论分析结果表明, Matsa北向传播的大型雨带分布特征与大气惯性波与大气重力内波的混合波特征有关. (ⅴ) 只有在适当的大气层结与合适的重力波垂直波数条件下, 台风扰动才能激发此类远距离传播的波动, 并形成大范围的波状雨带.     

耀斑激波的各向异性传播

对飞船观测和行星际闪烁记录的分析表明,耀斑激波的最快传播方向偏离耀斑法线:在赤道面内朝东偏转,在子午面内偏向日球电流片.即便扣除背景太阳风的对流效应,上述非对称传播特征仍然存在.可是,迄今对日球赤道面内耀斑激波的数值模拟给出的最快激波传播方向几乎与耀斑法线平行,与观测结果相左.本文将证明,适当修改下边界的激波引入方式,可以获得最快传播方向东偏之结果. 既然耀斑源区随太阳自转,采用共转坐标系比较方便.在该坐标系中,日球赤道面内的理想 MHD二维平面流动满足如下方程:     

闪电通道径向扩展的模拟实验研究

本工作用长火花模拟自然闪电,设计研制了转镜扫描高速照相装置,得到长火花通道径向扩展和长火花通道内相对光强分布的实验结果,并对模拟条件作了估计。本实验装置包括产生长火花的冲击电流发生器、转镜扫描高速照相系统及同步装置三部分。冲击电流发生器输出的最高直流电压为350KV。转镜扫描高速照相系统的结构如图1。长火花所成象的线速度为3.10~5cm/sec。实验中设计了“旋转电极—火花开关”同步装置,使转镜位置与长火花的形成同步。同步装置给转镜带来的偏离误差,小于±3.1°的占90％,小于±1.1°的占50％。利用上述实验装置,获得不同电参量条件下的长火花通道径向扩展图象(图2)。     

半球结构亚波长光栅抗反射性质的研究

利用多台阶圆柱结构近似与严格的耦合波理论研究了化学方法制作出来的新型的半球结构的亚波长光栅的光学性质, 此光栅制作技术简化了可见光波段光栅的制作工艺. 通过计算机模拟与数值计算, 证明了半球结构亚波长光栅具有良好的抗反射性能. 给出了两种光栅设计方案. 第1种方案下, 光栅能够达到3.4416×10^-7的低反射率, 适用波段为0.46~0.7 μm, 入射角变化范围为±12°; 第2种方案下, 光栅的适用范围较广, 适用波段为整个可见光波段, 入射角变化范围为±23°, 所能达到的最低反射率为3.112×10^-4.     

广角反射地震探测得到的中国东部地壳三维P波速度结构

利用人工地震探查所取得的广角反射及折射地震资料, 探讨研究了中国东部区域地壳三维P波速度结构的区域特征. 结果表明, 研究地域的西部地区Moho面埋深较深, 深度为35~48 km, 反映了西部厚地壳特征. 中部的苏鲁-大别造山带地区, 20 km以上的上地壳波速明显呈高速异常分布; 而下地壳30 km处的速度结构却显示为低速度异常特征. 苏鲁-大别山区的Moho面深于其周围邻区, 苏鲁地区达到32~33 km; 大别地区其Moho面深达36~38 km. 苏鲁-大别地区上地壳P波高速异常结构特征, 可能与这些地区存在的高压、超高压变质带构造演化有关. 大别-苏鲁地区在下地壳深处存在地壳山根, 因此与周围邻区相比P波速度呈现为低速结构. 这些P波速度高速和低速区带在大别地区都位于郯庐断裂的南端西侧, 在苏鲁地区异常区则都位于郯庐断裂的北段东侧, 似乎是被郯庐断裂错断所致. 且错动从地表延伸到30 km深处. 上述结果, 可为岩石圈地壳构造与郯庐断裂演化分析提供地震学新证据.     

磁尾磁重联湍动区域内磁零点簇的演化

正磁重联是等离子体中改变磁场拓扑形态并将磁能转化为粒子的动能和热能的物理过程,是空间等离子体物理领域重大的理论基础问题.在三维磁重联理论中,磁零点(磁场为零的点)是磁场拓扑结构的组成要素.在2001年10月1日~09:43:45 UT,C l u s t e r卫星簇穿越了磁尾磁重联区,卫星观测到磁场的Bz分量存在双极变     

华南大陆S波三维速度结构与郯庐断裂带的南延

利用我国地震台站记录的Rayleigh波观测资料, 通过适配滤波频时分析技术进行数据处理, 获得了穿越我国东南及陆缘地区的Rayleigh波频散. 运用随机反演理论取得了东南大陆及陆缘地带4°×4°网格的纯路径频散数据. 在网格反演的基础上求得了该区S波的三维速度结构. 同时结合该区人工地震深部探测速度结构剖面综合研究了该区构造格局与断裂延深和延伸. 研究结果表明: 华南大陆Moho界面埋深为30～40 km, 并由西向东逐渐减薄, 在陆缘与浅海地域为25～28 km, 具有明显的分区特征. 上地幔低速层埋深为60～100 km, 变化幅度较大. 郯庐断裂跨过长江后在64～96分格(NS)和65～97分格(NS)之间地带向南延伸, 垂直错动幅度可达10 km, 可伸抵170 km左右的深处, 并在海南岛东侧附近潜入海域. 太行山-武陵山-苗岭-越北山区巨型重力梯度带南段深部Moho界面与软流层顶面均向南加深下倾, 并伸入海域. 它可能与郯庐断裂带汇合, 这条重力梯度带与郯庐断裂带均受到东西向潜伏构造的作用与影响.     

西藏东部地区层析成像及东南部裂谷成因讨论

利用西藏东部南迦巴瓦地区的51个临时地震台站所记录的169个远震事件, 从中提取出4767条P波射线, 通过反演计算得到了西藏东部地壳和上地幔的P波速度结构. 水平剖面显示, 在西藏东南部裂谷附近从近地表到250 km的深度范围均表现为低速异常; 从纵剖面结果看, 这个低速异常非垂直地向下延伸到约400 km深度. 综合分析认为, 此低速异常可能意味着地幔高温物质上涌, 从而为该区裂谷成因的探讨提供了地震学的证据; 在此低速异常的东侧出现明显的高速异常, 深度从40 km延伸到200 km, 该高速异常可能是大陆闭合遗留的产物, 并非俯冲的印度板块; 在250~400 km的深度范围内, 嘉黎断裂以北为低速异常区, 以南为高速异常区. 该高速异常可能反映了印度板块的北部边界, 并在此发生了拆沉. 同时表明, 在西藏东部印度板块的俯冲未超过嘉黎断裂.     

两种可能的彗尾加速机制

早年,在Ⅰ型彗尾中就观测到有大的加速现象,其数值可达300 cm/s~2.近年对G-Z彗星进行直接测量,得其粒子的能量高达2×10~5eV,远高于彗星离子的初始能量(≤2×10~4eV),     

南海东北部障碍层特征及其形成机制

南海东北部(16°~25°N, 112°~124°E)存在显著的障碍层分布. 障碍层发生概率秋季最大(45.7%), 夏季次之(31.1%), 春季最小(23.3%). 吕宋海峡及其以西的南海东北部中心海域(18°~22°N, 112°~120°E)障碍层年发生几率约为40.0%, 中国台湾海峡南端、台湾岛南端东西两侧、台湾岛以东(22°~24°N, 122°~124°E)和吕宋岛东北海域(18°~20°N, 122°~124°E)障碍层年发生几率分别为19.0%, 61.1%, 33.3%和80.0%; 其他海域障碍层年发生几率偏小. 层结机制和降水机制分别是南海东北部春季(特别是冬末春初)和夏、秋季障碍层形成的主要原因, TRMM卫星观测为后者提供了可靠的依据.     

基于SAR差分干涉测量的张北-尚义地震震源参数反演

基于欧洲遥感卫星（ERS）合成孔径雷达差分干涉测量技术（D-InSAR）获取1998年1月10日张北-尚义地震形变图,通过弹性半空间位移模型模拟形变场,由最佳参数解得到张北-尚义地震的震源参数.模拟结果表明,张北-尚义地震的发震构造为走向95°,倾向西南,倾角30°的具右族性质逆断层,断层面长12 km,宽14 km,震源（断层面中心）深度7.5km,震中位置为北纬40°58＇,东经114°21＇.断层滑动角105.95°,滑动方向为北西I3.26°,位移量为0.728m,地震矩M0为2.69×1018N·m.根据震源参数和区域构造背景分析,断裂活动可能与张家口-蓬莱断裂北西端的活动有关.     

2001年狮子座流星雨期间钠荧光激光雷达的观测

报道国内大型激光雷达对流星尾迹的观测, 用共振钠荧光雷达观测到2001年11月武汉上空狮子座流星雨的4个长寿命尾迹. 数据显示, 观测到的狮子座流星雨尾迹的参数与普通的偶发流星有较大的差异, 而与已报道的1998年和1999年的狮子座流星雨的结果类似. 流星尾迹的平均消融高度为97.95km, 与狮子座流星雨的进入速度(约72 km/s)吻合, 平均峰值密度为3380±2630 cm^−3, 柱含量为(2.33±1.49)×108 cm^−2, 都高于普通偶发流星尾迹的相应参数, RMS宽度为360 m, 寿命81 min, 为长寿命尾迹. 狮子座流星雨爆发前后共5个晚上的观测数据显示, 狮子座流星雨的爆发对背景钠层的柱含量并没有产生显著的影响.     

强磁暴期间场向电流分布及其对行星际条件的响应: CHAMP卫星观测

利用CHAMP卫星磁场测量数据, 研究2003年11月超强磁暴期间顶部电离层全球大尺度场向电流分布特征及行星际条件的控制作用. 结果表明: (1) 磁暴期间场向电流密度比平静期大大增强, 昼与夜及冬与夏半球不对称; (2) 发现沿纬度积分的场向电流密度主要受太阳风动力学压强而不是行星际磁场的控制; (3) 磁暴期间场向电流低纬边界向赤道扩展, 最低可达45°MLat; 向阳侧此扩展直接受南向行星际磁场Bz的控制, 相应的行星际-磁层-电离层作用时间尺度约25 min; 当南向IMF B_z小于−30 nT时, 场向电流朝赤道的扩展出现非线性饱和; 而在背阳侧, 这一扩展及恢复, 比行星际参数的变化滞后约3 h, 但与表征磁层环电流的Sym-H指数几乎同步变化; (4) 磁暴主相期间, 背阳侧强场向电流纬度分布范围达25°以上, 并出现多达10片以上的多电流片结构.