基于Cluster观测对地球磁尾电流片磁场分布的初步统计分析

利用Cluster在2001~2005年期间每年6~11月4 s精度的磁场数据对磁尾电流片的磁场分布特性进行了统计分析. 结果表明, 电流片中心处磁场及其Bz分量的强度在磁尾午夜区通常较弱, 而在磁层晨、昏两侧处普遍较强, 这表明午夜区的电流片较薄, 而在晨、昏两侧的电流片较厚. 在晨昏两侧处, 电流片拍动剧烈, 尤以晨侧最甚, 而午夜区的电流片拍动最弱. 在磁地方时21:00~01:00范围内, 负B_z及扁平电流片出现的几率较大, 磁重联或电流中断等活动比较容易发生. 磁尾电流片中B_y分量和磁力线倾斜角的频次分布都近似满足正态分布, 扁平电流片的出现几率约是标准电流片的1/3; 而磁场强度B_min和B_z分量则主要分布在1~10 nT范围内. 电流片中B_y分量的强度近似为1 AU处行星际磁场B_y分量的两倍, 二者的相关系数以扁平电流片尤其高, 这表明电流片中B_y的大小和符号易受行星际B_y等外部因素的影响.     

地球磁尾两种不同类型磁结构形成机理

观测表明，横越磁尾等离子体片和尾瓣的磁场By分量正比于行星际磁场By分量，并且行星际磁场与等离子体团内By分量极性相同，因此磁尾等离子体团应该是一个三维结构。以两类磁静平衡解为初态。对亚暴期间磁尾动力学过程作二维三分量模拟研究。数值结果展示了By分量两类不同的演化特征，它们分别与具有通量绳核心的磁结构及类似于“闭合环”等离子体团型磁结构相对应。由此认为，亚暴期间在地球磁尾中出现不同拓扑位形的磁结构可能与具有不同By分量分布形态的磁场重联有关。     

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     

Cluster星簇对中磁尾尾瓣持续磁重联观测研究

当行星际磁场持续南向时, 磁尾尾瓣区积蓄大量的磁能, 出现强的晨昏电场. 此时中磁尾磁重联进行得深入持久, 在等离子体片闭合磁场和等离子体被带出重联区之后, 尾瓣区的磁场和等离子体不断进入重联区, 这种重联过程称之为“持续尾瓣重联”(CLR). 分析2001~2003年期间欧空局Cluster星簇对中磁尾的观测数据, 发现CLR除导致磁场形态改变和产生高速流外, 重联区出现空泡, 多数空泡中等离子体密度和温度下降两个数量级(少数为一个数量级). 空泡结束后, 密度较重联前低, 温度略有升高. CLR的持续时间一般为几十分钟, 它同行星际磁场持续南向发生的强亚暴有很好的相关性.     

无碰撞磁重联中的电子动力学

磁重联提供了一种快速地将磁场能量转化为等离子体动能和热能的物理机制, 它和空间 物理中的许多爆发现象密切相关. 另外, 空间环境中的等离子体基本上是没有碰撞的, 人们更加 关心的是无碰撞的磁重联过程. 本文从以下几个方面论述了电子动力学行为在无碰撞磁重联中 的作用. 在离子惯性长度尺度范围内, 离子和电子的运动是分离的, 由此产生的Hall 效应决定了 此区域中的重联电场. 另外, 电子的运动决定了重联平面内电流体系, 同时形成了沿分界线的电 子密度降低区域, 这种重联平面内的电流体系决定了垂直重联平面的第三方向磁场分量的结构; 在电子惯性长度尺度范围内, 电子压强分布的各向异性决定了在此区域内的重联电场的大小; 高 能量电子的产生是磁重联的一个重要特征, 重联电场在电子加速的过程中起着决定性的作用, 但 不同的磁场位形及其时空演化会影响电子加速的过程, 并决定电子的最终能量; 讨论了X 点附近 的次级磁岛不稳定性形成小磁岛的模拟结果和观测证据, 及其对电子加速的可能影响; 对电子动 力学行为在实验室等离子体磁重联中的进展也做了介绍. 最后, 指出了一些尚未解决的问题.     

地球磁尾非绝热离子抗磁漂移不稳定性

磁层亚暴是日地物理多年来研究的基本问题之一,对它解释得最成功的是磁场重联理论。重联理论的前提是假设磁尾中性片中存在反常电阻(η_α～10~4Q·m),该反常电阻的起因至今仍是磁层物理尚未解决的一个难题。     

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.     

尾瓣持续磁重联与磁层亚暴相关性研究

根据尾瓣持续磁重联的特征, 首先利用Cluster星簇测量的近地磁尾等离子体密度、温度、整体运动速度、磁场等数据, 确认尾瓣磁重联过程的存在; 其次, 利用GOES, LANL等同步高度卫星数据, 极光数据以及地面观测的AE指数等描述亚暴突发(onset)现象; 结合上述两方面的观测, 进而分析研究了尾瓣持续磁重联和磁层亚暴的相关性和时序关系, 确认了尾瓣持续磁重联是行星际磁场持续南向期间亚暴膨胀相突发的原因.     

准稳态磁层晨-昏不对称性的模拟研究

基于一个新的全球三维磁层模型, 系统地研究了地球磁层在准稳态情况下的近磁尾晨、昏侧磁鞘区位形及粒子密度、粒子尾向通量密度等的不对称性问题. 结果表明, 磁鞘厚度的晨-昏不对称性是行星际磁场螺旋线位形所造成的固有现象, 是晨-昏侧不同的激波条件产生的结果, 而晨-昏侧粒子密度与粒子通量密度的不对称性主要是晨-昏侧磁鞘厚度的不同所致, 受磁层顶磁重联的影响不显著. 还研究了日下点磁层顶等离子体“减压层”(PDL)对磁层晨-昏不对称性的影响, 认为其可使昏侧粒子总通量略高于晨侧.     

磁场湍动重联的新模型

磁场重联是等离子体中的一种重要的基本现象,它能引起磁场拓扑形态的突然改变,导致磁能的迅速转化和剧烈释放,是当前天体和空间等离子体物理学重大的前沿课题.现已发现的磁场重联类型有准定常重联和瞬时局地重联.这些磁场重联过程都需要电流片内有相当强的反常电阻;磁场重联的结果将形成大尺度的磁岛和涡旋.然而,二维磁流体力学(MHD)湍流中存在大量的小尺度的涡旋和磁岛.什么样的重联会产生小尺度结构?有没     

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.     

编者按: 空间物理和空间天气学

开展对空间物理和空间天气学的研究, 有助于更好地了解并预报空间环境中发生的灾害性空 间天气事件, 为国家的航天和通信事业服务. 作为一个跨学科的研究领域, 对空间物理与空间天气 学的研究需要不同领域的科技工作者的共同关注, 促进其有序、快速地发展. 本专题就“空间物理与 空间天气学”领域中若干前沿的科学问题作了评述, 分别是无碰撞磁重联中的电子动力学、地球磁 尾等离子体片中的高速流、地球内磁层中的高能粒子, 以及电离层和太阳活动的关系. 主要内容介 绍如下. 磁重联提供了一种快速地将磁场能量转化为等离子体动能和热能的物理机制, 它与空间物 理和空间天气学中的许多爆发现象密切相关, 本专题的第一篇文章讨论了电子动力学行为在无碰 撞磁重联结构形成中的作用, 以及电子在其中的加速机制. 等离子体片中的高速流则是一种经常出 现在磁层剧烈扰动期间的现象. 第二篇文章简单回顾了高速流研究的历史, 介绍高速流的成因及与 极光的关联, 探讨了其与等离子体磁结构的异同及其与背景等离子体的相互作用, 以及高速流在磁 层亚暴过程中的作用. 辐射带中的能量电子与离子是首要的空间天气威胁, 理解这些粒子如何在辐 射带中被加速是空间物理和空间天气学领域的主要挑战之一. 第三篇文章总结了行星际激波在内 磁层激发的超低频(ULF)波对“杀手”电子与能量离子的快速加速的最新进展. 秉含着不同时间尺度 的太阳电磁辐射变化是调制电离层的主要因素, 电离层对太阳活动性的依存关系是认知电离层结 构与演变的基础. 第四篇文章简要地介绍了最近一些年在电离层的太阳活动性依赖特性方面取得 的进展. 有关内容供感兴趣的科技工作者参考.     

不同行星际条件下磁层顶区的磁场位形

用二维可压缩MHD方法,模拟研究了不同行星际磁场(IMF)条件下背阳侧磁层顶的瞬时重联.在此基础上,提出了3个新的全球磁层顶重联结构模式.主要结果如下:1.IMF具有北向分量(B_(Iz)>0):不论IMF x分量是太阳向(B_(Ix)>0)还是尾向(B_(Ix)<0),在南北半球靠近极隙区的背阳侧磁层顶,各存在着一个磁场重联区.IMF和地球磁场在此区发生重联,形成x中性线.在x中性线尾侧,重联的磁力线都是张开的,两端都不与地球联接;在x中性线的地球向一侧,极隙区的地球磁场与IMF重联,在向阳     

非均匀等离子体中磁流体力学间断的稳定性

在地球磁层、行星际空间以及星际空间中,存在着许多磁流体力学间断结构,例如磁层顶、行星际磁场的扇形边界、I型彗尾的边界、日球层顶等。很多作者已对这些磁流体力学间断的稳定性作过大量研究。在这些研究中,或者将定态场视为分区均匀的,或者考虑了过渡区或边界层中基态物理量在间断面法线方向上变化,这些假设都是对真实空间环境的一种     

一种新型的纵向驱动巨磁致阻抗效应

采用纵向驱动磁化场的方法对纳米Fe73Cu1Nb1.5V1Si13.5B9微晶带的磁阻抗效应进行测定 ,其ΔZZ =Z(H) -Z(Hmax)Z(Hmax) 可达 16 0 0 % ,超过Co基非晶的最大值 36 0 %三倍多 .实验结果表明 ,纵向磁阻抗曲线的形状和大小与材料的磁结构、磁导率以及工作电流频率有密切的关系     

太阳耀斑的磁能释放机制

磁能是太阳耀斑的主要能源,但关于磁能的释放机制却众说纷纭.以往一些太阳耀斑模型或基于电流片的磁重联,或基于无力场的不稳定性,二者分别在磁能的储存和释放方面碰到困难.最近,胡友秋导出一类具奇异电流密度面(一种电流密度趋于无限但磁场连续的弱间断)的局地四极无力场解,证明该奇异电流密度面稳定,提出奇异电流密度面发展到一定程度出现的电阻耗散和不稳定性,有可能触发无力场的磁能释放,导致耀斑发生.本文采     

磁约束等离子体中的射频波电流驱动和流驱动

射频波可以进入聚变等离子体,通过无碰撞机制将能量和动量沉积于其中,在加热等离子体的同时,还可以驱动等离子体电流和等离子体流.等离子体电流的非感应维持是托卡马克类型聚变装置稳态运行的关键,而电流剖面的控制及等离子体流的存在对于抑制磁流体不稳定性、建立和维持高性能的约束模式至关重要,因此射频波电流驱动和流驱动在磁约束聚变等离子体物理研究中有重要意义.本文从等离子体中波与粒子相互作用的基本物理出发,对磁约束等离子体中射频波电流驱动和流驱动的研究现状、面临的挑战、以及可能的研究趋势进行了简要评述.几个关键问题被特别指出,包括:共振吸收机制与高密度下射频波电流驱动效率衰减的内在联系;非共振驱动机制的可行性探讨;从动量获取和动量弛豫的平衡关系出发探索共振机制下提高驱动效率的可能性;流驱动中射频波的直接驱动和间接驱动效应,尤其是射频波有质动力效应;射频波耦合和传播过程中复杂的非线性过程对电流驱动和流驱动的影响等.     

磁流体力学数值模拟中的伪重联

在磙流体力学数值模拟中经常要引入对称边界，而对称边界条件的设定通常有２种方法：第一种是采用正常网格，对称轴位于第一列格点上；第二种是采用开拓网格，即将正常网格错开对称轴半格。发现采用开拓网格时，即使电阻为０，磁力线仍能重联，并导致其他非物理结果；采用第一种网格则可避免这些非物理结果。因此建议在磁流体力学数值模拟中采用正常网格，并指出磁中性线上格点的对减小数值电阻至关重要。     

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     

磁场重联中的螺度守恒

对高导电等离子体,Taylor认为电阻耗散仅限于局部地区,总螺度近似守恒.在这一假定下,Taylor成功地解释了实验室等离子体中反向场的形成和相关特征.若将螺度守恒应用于太阳大气,则发生在低层的磁场重联将导致螺度向上层日冕传输并不断积累,其后果是:(i)日冕中磁自由能增加,导致耀斑发生;(ii)所积累的螺度需要某种机制从日冕中带走,日冕物质抛射很可能属于这类机制.关于磁场重联过程中螺度近似守恒的性质,至今仍然是一种假设.本文采用二维耗散MHD模型,对这一假设进行检验.考虑直角坐标下的二维问题,y轴垂直于光球层向上.引入磁通量函数A(t,x,y),将磁场表示为略去重力,将二维三分量MHD方程化成无量纲形式: