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     

磁流体力学旋转间断的稳定性

磁层顶结构可以分为切向间断和旋转间断两种类型。很多作者已详细地讨论了磁层顶切向间断的结构和稳定性;而对已被卫星观测到的磁层顶旋转间断的结构及其稳定性问题,理论上还了解得很少。旋转间断与白日侧磁层顶处重联位形以及尾部磁层顶中能量输运过程密切相关。太阳风等离子体可以通过磁层顶旋转间断直接进入磁层,旋转间断中的     

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.     

磁层顶涡旋撕裂模不稳定性的数值模拟:涡旋和磁岛的合并增长

通量传输事件(FTE)是发生在磁层顶的局地瞬时磁场重联现象,它在太阳风向磁层输运能量和质量的过程中可能起着重要作用。Lee-Fu模式是FTE的第一个理论模型。最近刘振兴等提出,涡旋重联也可能形成FTE的磁涡旋管。涡旋重联是由涡旋撕裂模不稳定性(VITM)引起的,其饱和后准定常渐进状态在二维情况下由大尺度涡旋和同心磁岛     

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.     

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     

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。     

运动无力场中的等离子体状况

在太阳活动区以及磁层和某些等离子体彗星中的磁场位形大多是无力场。无力场在太阳物理和空间物理中是常遇到的。我们经常通过无力场模型对客体进行理论分析和处理,然后与观测的结果进行比较。Gold和Hoyle最早提出太阳黑子磁场中的磁力线的扭绞特性。以后,人们用静力学的关系定量地计算了磁场与扭转过程的关系;开始是势场的磁场位形通     

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.     

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 > &;#8722;13R_E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 <&;#8722;10 RE的磁层尾部区域.     

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.     

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     

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.     

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     

地球的“新衣”

<正>地球辐射带是由地磁场捕获的大量带电粒子组成的区域,电子来源主要为太阳风粒子通过扩散进入磁层以及由磁层内的低能粒子加速而成,也称为范艾伦辐射带。20世纪初,挪威空间物理学家F.C.M.斯托默从理论上证明,在地球周围存在一个带电粒子捕获区。1958年,美国的范爱伦利用美国"探险者1号"卫星上的盖革计数器,第一次直接探测到地球周围存在通量很强的高能带电粒子,从而证实辐射带的存在。地球辐射带位于地球磁层内,但只存在小于60°的纬度地区上空。辐射带呈环状分布,环的横截面轮廓呈月牙形,大体与地磁场磁力线重合,     

等离子体片中高速流相关问题研究综述

等离子体片中的高速流自从被提出以来, 由于其经常出现在磁层剧烈扰动期间而备受 重视, 然而有关其形成机制和在磁层扰动过程中的作用, 特别是在整个磁层对流中的作用以及 磁层亚暴触发过程中的作用并不十分清楚. 本文简单回顾了高速流研究的历史, 介绍了高速流 的成因以及与极光的关联, 探讨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, 讨论了现有对高速流在磁层亚暴过程中作用的认识以及存在的问题, 并提出了高速流研究中 应当关注的几个关键科学问题.     

磁层物理学

磁层物理学是二十世纪六十年代初诞生的一门重要的新兴学科,是空间物理学中一个极为活跃的前沿分支.磁层物理学涉及物理学中一些尚未解决的基本问题,也涉及许多重大的应用问题,故深受世界各科学发达国家的重视.本文简要地介绍磁层物理学的概况.     

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.     

火星磁层中内禀磁场对O+离子分布的影响

目前对火星磁层的观测仅是在某些特定情况下和特殊位置的观测,并无系统的数据;在理论研究方面,仅对火星磁层顶位形进行过一些探讨.火星磁层的结构、磁矩的大小(即内禀磁场)及其在火星磁层中的动力学作用问题,仍然是有争论的,有待于进一步系统地观测分析和理论研究来确定.观测结果还表明,氧离子是火星磁尾重要的离子成分,其通量密度典型值为 2.5 ×10~7cm~(-2)·s~(-1).     

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.