空间物理和空间天气学

空间物理学是随着20世纪50年代人类进入太空而发展起来的一门与相邻学科紧密交叉、与太空技术相互促进的前沿基础学科.它主要研究发生在太阳大气、行星际和地球空间(包括磁层、电离     

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.     

“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.     

无碰撞磁场重联中的电子密度空穴和By的四极型分布

在无碰撞磁场重联中, 在分离线的区域的磁压远大于X点附近的磁压, 由此产生了沿着分离线流向X点的电子束流, 这些电子在X点被加速后, 又沿着靠近分离线内侧的磁力线流出重联区. 一般认为这样的电流体系产生了垂直于重联面的霍尔磁场的四极型分布, 而且分离线附近区域电子密度会降低. 通过二维粒子模拟方法研究了无引导场时的无碰撞磁场重联, 证实了这样的电流体系. 并且发现四极型磁场的峰值区较分离线(即电子密度的极小区)更加靠近电流片内侧, 同时Cluster卫星簇的观测资料也证实了这一现象.     

空间等离子体中二维电子相空间空洞

利用二维粒子模拟方法分别研究了弱磁化(Ωe=0.5pωe,其中Ωe和ωpe分别为电子的回旋频率和等离子体频率)和强磁化(Ωe=2.0pωe)等离子体中电子双流不稳定性激发静电波的非线性演化过程.结果表明,在这两种情况下,基本的物理过程都是一个几乎单色的静电波在波动的线性阶段被激发,随后在非线性阶段这个静电波的波形互相合并,直至最后形成一个或几个静电孤立结构,这些结构对应于电子速度相空间中的空洞.所不同的是,在弱磁化等离子体中,形成的孤立波有着二维结构,即在两个方向都是有界的.而在强磁化等离子体中,所形成的孤立波是准一维的,即在平行于背景磁场方向是有界的,而在垂直于背景磁场方向是无界的,但是在此方向上无论是平行还是垂直电场都是有变化的.如沿着平行于背景磁场的方向切割静电孤立结构,这两种情况下的孤立波的平行电场都具有双极结构,而垂直电场有单极结构,这些结果和在地球极区上空的观测相符.另外,在强磁化等离子体中,电子空洞可激发静电哨声波,并破坏这些静电孤立结构,直至静电哨声波足够强后这些静电孤立结构消失.     

海岸地区大气边界层数值模拟的有限元方法

用有限元方法建立了一个二维边界层预报模式，对污染物的输送扩散进行数值研究．主要考虑了海陆温差、地形、粗糙度跃变以及城市等因素对边界层中风场的影响，以模拟沿海地区海风演变过程中污染物的输送扩散．在污染物输送扩散模式中，应用了随机走方法．     

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.     

垂直无碰撞激波中质子的混沌运动和加热

观测资料和理论计算都发现太阳风与高马赫数准垂直无碰撞激波作用后有一部分质子被激波反射.这些质子在垂直于磁场的方向上有很大的速度,它们将在回旋运动作用下再次向下游运动.当这些质子第二次与无碰撞激波相互作用后,大部分会越过激波进入下游区域,导致激波下游的质子呈非Maxwell速度分布.它们还引起下游等离子体温度的各项异性(T_┴/T∥》l),进而激发离子回旋波和镜波.这两种不稳定性造成高马赫数准垂直无碰撞激波的耗散,使激波上游的等离子体动能转化为下游等离子体的热能.McKean等还发现在激波区域存在较大温度各项异性处,同时产生离子回旋波和镜波,并向下游传播.