三维太阳风结构的Ulysses观测和MHD模拟的比较研究

Ulysses从1994年9月到1995年6月第一次对日跨极飞行期间, 发现除赤道附近±20°的区域为300 ~450 km/s的低速太阳风以外, 其余为中高速太阳风, 而在±40°以上为700 ~ 870 km/s的高速太阳风, 而且低速太阳风与高速太阳风之间的过渡面很陡. 本文用三维磁流体力学(MHD)数值模型对Ulysses在太阳活动极小期观测到的太阳风大尺度结构进行了模拟. 这一模型将计算区域分为1 ~ 22 Rs和18 Rs ~ 1 AU两部分, 并将具有总变差减小(TVD)特性的Lax-Friedrich格式和MacCormackⅡ型格式结合起来. 我们根据太阳光球磁场的视向分量观测确定初始磁场, 并在MHD方程组中加入体积加热项, 进行三维MHD模拟. 数值结果再现了上述观测到的大尺度太阳风结构的主要特征, 与Ulysses观测基本相符. 这一工作说明初始磁场以及体积加热可能控制着高低速太阳风的分布, 同时也表明所采用的三维数值模式在模拟大尺度太阳风结构方面是有效的.     

背景及扰动太阳风的太阳周变化——基本参数及密度参数

在地球轨道附近,日球参数的变化有两种性质不同的太阳周变化。第一类是冕洞周变化,它主要决定着太阳风粒子的质量、动能及热能的输出。在日冕结构寿命最长的年分,太阳风的流密度和动能与内能密度都达到最大值,太阳通过太阳风向日球大量输送质量、动能和热能。第二类是黑子周变化。它主要决定着太阳风的内在特征,尤其是磁场对太阳风的控制作用。在黑子活动极大年,太阳风的磁能与动能密度比、磁压与热压比都增大至极大值,与黑子数成正相关关系。     

磁尾等离子体片和地球同步轨道区域对行星际激波的响应

2004年7月22日, WIND飞船探测到一个典型的行星际激波, 激波前为持续较长时间的微弱南向磁场, 越过激波面, 磁场发生南向偏转并被压缩. 当激波作用于磁层时位于磁尾等离子体片不同位置的TC-1卫星和Cluster卫星都观测到等离子体对流迅速增强. Cluster上搭载的电场探测仪器可以直接观测到晨昏电场的增加. 位于磁尾等离子体片以及地球同步轨道不同位置的卫星观测到的磁场变化则不同: TC-1观测到磁场大小几乎不变但磁场仰角变小, 而离赤道较远的Cluster卫星则观测到磁场显著增强; 位于午夜侧附近的GOES-10卫星观测到磁场强度突然增加, 磁场仰角变小; 位于晨侧的GOES-12卫星的观测则表现出简单的磁场压缩, 即磁场强度及各分量都显著增加. 另外, 分布在各个磁地方时的LANL卫星观测的高能质子和高能电子通量都脉冲增强, 在向阳面粒子通量的变化比夜侧明显, 位于午夜侧的粒子通量响应则最弱. 文中还讨论了这些观测现象的可能的物理解释. 以上磁层响应是由动压脉冲结构以及磁场南向偏转共同作用的结果.     

“祝融号”探测火星表面磁场

<正>火星全球性磁场的消失致使火星大气缺少了一道保护屏障,大气和水更容易被太阳风携带到行星际空间中,影响了火星早期生命的宜居环境.火星岩石剩磁记录着火星磁场的历史信息,是揭示早期火星液核发电机的状态、火星内部热历史和动力学过程等火星内部物理的窗口^[1].因此,火星磁场探测对理解火星宜居环境演化过程具有重要的科学意义.     

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.     

螺环不稳定性对日冕物质抛射至关重要吗?

<正>作为主序星的太阳,其内部结构大体是稳定的.核心区的氢聚变反应为太阳提供了持续而比较恒定的能源,维持其3.828×1026 W的电磁辐射、8.8×1024 W的中微子辐射,以及往外输运的太阳风.然而,由于原初磁场[1]以及太阳表面以下0.3倍半径范围内(即对流区)较差自转的存在,在发电机过程[2]及磁扩散的共同作用下,对流区底部的磁场发生着周期性的变化.当其磁场强到一定程度,便会经由太阳表面而浮现到太阳大气中,并导致各种空间尺度和不同能量的爆发现象,如太阳耀斑、暗条爆发、日冕物质抛射等.其中,日冕物质抛射是尺度最大的剧烈爆发现象,     

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&#8722;/+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.     

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     

科学之窗

无能量太空推进系统美国航空航天局（NASA）马歇尔空间飞行中心提议采用一种有推力的小型补充调度系统（beSEDS），它几乎无需能源就可以将卫星送入更高的轨道，或者将在接近地球时不能分解的卫星破坏掉。这种飞行系统的原理是物理学中的一条原则：当裸线在磁场中转动时随即产生电流。在ProSEDS中，地球是最好的磁场。试验过程中人们发现能产生的电流高于IA这要比预料中的0．SA要高，而利用这种电流形成的动力足以用来推动卫星。为此马歇尔空间飞行中心的雷斯·约翰逊（b如加h舰n）声言：“这是人类第一次演示的无推力推进系统，它能…     

看不见的强大力量——磁场

<正>宇宙中存在一种强有力的隐形力量——磁场,它在塑造宇宙的过程中发挥了至关重要的作用,能够悄无声息地将天体维系在一起;它每时每刻都影响着我们,是地球生命的重要保障。神秘力量:磁场我们已经知道,磁场在地球上扮演了十分重要的角色。地球磁场最大的贡献是形成一道屏障,保护臭氧层免受宇宙中高能粒子的破坏,让我们的地球不会暴露在有害的紫外线之下。除此之外,地球磁场还把宇宙射线集中到地球的南北两个磁极。高速太阳风会以每秒数百千米的速度飞向地球,不断冲击着地球外围环境,当高能粒子流     

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。     

形形色色的自然疗法

树木疗法树木疗法指的是借助某些树木来治病。俄罗斯的科学家研究认为,树木有生物场,对人有治疗作用,树木拥有的能量足以治疗某些疾病,而且效果不见得比药物差。人与树木接触时,树不放出也不吸收能量,只是在周围形成了一个弱电磁场。当它的频率与人的磁场频率相同时,就会增加能量的活性;如果与     

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&#8722;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.     

混沌引起北极光

根据苏塞克斯大学的研究人员的意见,混沌理论可以解释地磁场中极光和其它振动的突然出现。他们已经知道陷入地磁场中的单个质子和电子在几分钟内就可转换成混沌运动。这一时间尺度与卫星对地球附近带电粒子的观测是一致的。极光的能源是电离的粒子,主要是质子和电子,它们形成太阳风,从太阳吹过行星。地磁场使太阳风的风向发生偏斜,从而使地球被封闭在磁层之中。在顺风的一面,太阳风吹离磁层使之形成长长的磁尾。     

太阳中心探秘

于1995年12月2日发射升空的“太阳及日光层天体探测”卫星（soho）朝着太阳中心作了一次令人惊异的旅行。太阳黑点下究竟蕴藏着什么？为什么围绕着太阳的日冕之内层温度远比其表面高？太阳风是怎么形成的？太阳磁场是一种什么现象？这些是人们想通过Soho号卫星收集到的最新资料来加以解决的问题。揭开太阳的面纱欧洲人研制的太阳探测器——Soho号卫星配备着极为完备的测量仪。科学家们通过先进的卫星得以探查太阳内部最深处，太阳黑子底下的秘密特被人类揭开。对太阳作深入细致探测已经开始。为推断出太阳内部究竟发生着什么，天文学家们一…     

光学应用新极限

<正>迈尔斯·帕吉特扭转的光呈现让人难以想象的形状塑造、挤压、光能量供给,或者将它打结。科学家们正在将光学应用的极限进行到底。重塑光物理学家迈尔斯·帕吉特(Miles Padgett)拿下悬挂在他格拉斯哥大学办公室天花板上的彩虹色螺旋形物体,开始描述扭曲光的概念。然后他停下来,在房间里又找到更多的小道具:餐盘、纸张、铅笔,甚至还有圣诞节吃剩的巧克力。他解释说,光是由振荡电场和磁场构成。在常规的镭射光束中,振荡总是共生,光束的一面到另一面的波峰和波谷相对称(帕吉特用一摞餐盘向前移动来演示平面二维波)。     

热传导对太阳风中大尺度涡旋波的影响

在文献[1]中,我们提出了关于行星际磁场扇形结构起源的一种新理论,即它们可能是由赤道面上的大尺度涡旋波引起的。按照这种理论,扇形结构不是一种物质流,而是“密度”波;这样,不仅将太阳偶极子基本磁场与行星际磁场扇形结构较好地联系了起来,同时自然地解释了扇形结构随同太阳刚性共旋的观测事实。但是,在文献[1,2]中,我们选用了简化的太阳风一流模式,且未考虑粘滞性、热传导、Alfvén涨落及非球面膨胀的影响。然而空间探测结果表明,行星际空间中的等离子体并不是等温的,热传导的影响必需考虑,即应当采用包含较为严     

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     

别有"洞"天--地球磁场

科学家从NASAIMAGE探测器与欧洲航天局(ESA)的Cluster卫星的观测数据中发现,地球磁场破洞可持续数小时之久,使太阳风长驱直入。科学家过去已经知道地球磁场会破洞,但并不知道破洞的时间竟然可持续如此之久,而非偶然的开合。柏克莱加州大学天文学家在《自然》杂志上撰文表示,地球磁场就像屋子的气窗,有时会在暴风雨中洞开,太阳风暴趁隙而入,造成卫星故障,使通讯受干扰、电力系统出问题等。太阳风由来自太阳的带电粒子构成,以每秒数百千米的高速将大量能量送进地球磁场,有时强烈的日冕大爆发(CME)喷出数十亿吨的带电粒子,甚至可达时速…     

探索土星环

今天,望远镜以当年伽利略只能梦想的细节向我们展示了太阳系:太阳表面的爆发威力高达1000万亿吨梯恩梯;木星表面的大红斑实际上是一个超巨型风暴涡旋,它大得足以吞没三个地球;在木星的卫星伊娥(木卫一)表面,火山将气体和尘埃喷进太空.