国家重点基础研究发展计划 973 计划

课题四 2011 年度总结报告

项目名称：日地空间天气预报的物理基础与模式研究课题名称：磁层空间暴的能量传输与释放过程

研究课题成员：沈超，傅绥燕，曹晋滨，陈耿雄， 肖池阶，王慧，邓晓华，李毅 , 张永存等

一、 2011 年研究计划 和目标二、年度计划任务完成情况三、 2011 年度研究工作的主要进

展四、总结

报 告 提 纲

计划研究内容 : (1) 收集国内外相关的卫星和地面观测台站对磁层空间暴

（亚暴 - 磁暴 - 粒子暴）的探测数据，并选择一些典型事件进行个例分析；自主开发具有原创性的多点卫星探测数据分析新方法。

(2) 利用双星， Cluster ， Themis 以及其它卫星的观测数据，进行统计和个例研究，综合分析各种行星际条件下，尤其强 CME- 磁层耦合期间，磁层顶三维磁重联 X-线方向的分布规律，以及 FTEs 事件中磁通量管的结构特性；运用自主开发的多点卫星数据分析方法研究磁层顶边界层的全球拓扑结构及其内部结构；

(3) 深入分析辐射带粒子动力学规律，研究磁层高能粒子的来源、加速和耗散机制；探讨磁层相对论电子的物理加速和扩散机制。

一、 2011 年研究计划和目标

预期目标 :

建立磁层空间暴典型事件数据集；提出原创性的多点卫星探测数据分析新方法；初步分析磁层顶边界层的全球拓扑结构及其内部结构；初步认识磁层粒子暴物理机理。

完成学术论文 8-12 篇。

2011 年度主要完成成果： 1. 提出原创性的多点卫星探测数据分析新方法，

能够应用于任意颗卫星、任意卫星位形的多点探测数据；

2 . 第一次由探测分析得出地球磁层顶以及极尖区的几何结构和曲率半径的空间分布；

3 . 首次发现太阳风动压和 IMF 不同步现象，连续磁重联触发先于瞬时重联； Cluster 在高纬区探测到了反平行磁重联过程。

二、年度计划任务完成情况

4 . 统计分析得出磁尾电流片大空间尺度结构分布（ AGU流行榜）；

5 . 曹晋滨等建立了第一个磁尾等离子体片内边界的全球模型；

6 . 磁尾等离子体片高速流与偶极化锋面特性统计分析 ;

7 . 磁层亚暴的多次分立爆发特征分析 ;

8. 亚极光区极化流产生机制及其与亚暴的关系 ; 9. 磁暴环电流离子分布的双星中性原子成像探测

研究； 10．辐射带高能电子演化的变分辛积分算法研究 11. 初步建立辐射带高能粒子动态演化数值模式，

具有良好的稳定性和准确度。

2011 年已发表 SCI 论文共计 18 篇；在印和接受论文 6篇。

获得空间探测仪器发明专利 4 项。 地球空间双星探测计划获 2010 年度国家科技进步奖一等奖（主要完成人：刘振兴等）；

2011 年傅绥燕荣获国际宇航科学院通讯院士。 课题 4 已经按计划完成了 2011 年度课题研究任务，实现了预期目标。

三 . 2011 年度研究工作的主要进展

物理量空间梯度

我们成功运用新方法分析 THEMIS 三点卫星探测， Cluster 三点等离子体探测，计算了三点星簇平面法向的电流密度和等离子体流的涡度。

1 ．基于任意卫星星簇形态的多点探测来确定物理量空间梯度的方法

lilcil rBwN

B ~~1)

~~( 1

K-H waves at flank magnetopause

左图 2001 年 11 月20 日磁层顶昏侧剪切流场激发的 K-H 涡旋的电流密度和流场涡度的分布

第一次通过磁场曲率的直接测量来得到中等太阳风动压条件下晨昏子午面向阳侧磁层顶表面的曲率半径的空间分布。

直接证实了极尖区磁力线凹点的存在。 在磁层顶附近磁力线的最小曲率半径都大约是 2Re ，无论

是极尖区太阳一侧还是磁尾一侧。 越靠近赤道面，磁层顶的曲率半径越大；当接近日下点时，

磁层顶的曲率半径和其地心距离相当。

2. 地球磁层顶以及极尖区的几何结构和曲率半径的空间分布

磁层顶曲面的几何结构 [Shen et al.,2011]

磁层顶曲面的拓扑位形磁层顶曲面曲率 - 天顶角关系

图 4 磁层顶边界层曲率半径随极向角的空间分布特性

图 5 磁层顶边界层拓扑结构示意图

综合 Cluster 和“双星计划” TC-1 等卫星的协同观测数据，发现在日下点存在反平行磁重联过程；

首次发现太阳风动压和 IMF 不同步现象，动压先于IMF到达磁层顶；连续磁重联触发先于瞬时重联；

这些结果为建立向阳面磁层顶三维磁重联的磁场结构和物理模型提供更加细致的观测基础。

3. 磁层顶磁重联过程及其对太阳风变化的响应

Pi2 脉动作为磁层亚暴的主要特征之一，一直是国内外学者所关心的研究课题。我们利用 THEMIS 同时分别位于等离子体层内、外三颗卫星的观测资料，研究了两个伴随中等强度亚暴而发生的 Pi2 事件的产生和传播机制。

结果表明，卫星和地面观测到的 Pi2 脉动之间的相关性高度依赖卫星相对等离子体顶的位置，而等离子体层的空腔共振是低纬 Pi2 脉动的主要形成机制。

4 、低纬 Pi2 脉动产生机制研究

图 1. AU/AL 指数以及 ASC 和HER 两个地面台站分别记录到的两个 Pi2 事件。

图 2. P3 （蓝线）， P4 （红线），P5 （绿线）和 ASC 台站在磁地方时 - 磁壳参数 L 值坐标系中的分布。实心圆点代表相应卫星穿过等离子体层顶时的位置。而粗短线表示对应于两个 Pi2 事件的时间区间（ 0015 ～ 0040 UT ）。

基于 Cluster 卫星簇在 2001 、 2003 、 2004 年期间在距地心 15-19 个地球半径（ RE ）范围内对磁尾磁场的多点同步观测，本文在 GSM 坐标系下统计性地研究了地球磁尾电流片中心处的磁场结构。

4 . 磁尾电流片大空间尺度结构分布统计分析

GSM ，磁场及其分量的统计分布 磁场几何结构的空间分布

磁场几何结构的频次统计分布

－ Bz 的出现概率，及其曲率方向的分布

电流片法向 倾斜电流片出现概率的分布

电流片的分类

°135≤≤°45 1e

80 ％的倾斜电流片中，磁力线倾角是小于 450

这表明倾斜电流片中的磁力线结构大多是相互滑移的。

ˆ ˆarccosa b z

最小曲率半径 Rc,min 与中性片半厚度 h

321 ,

2/11h

5~/ 2/121

在方位角 ~140°-~200°, 即磁地方时 ~21:00-01:00, Rc,min (0.6-1RE) 与 h (0.2-0.4RE) 相对较小而在晨昏两翼 Rc,min(3-5RE) 和 h (0.7-1.6RE) 相对较大。薄电流片（ h<1000km) 容易在方位角 ~140°-~200° 范围内出现。

cosmin,cRh [Shen et al.,AG.2008c;Rong et al,PSS2010 ] |ˆˆ|cos nba

电流片中心处，电流密度的方向电流密度的平均强度为4~8nA/m2, 基本沿电流片切向方向，由晨侧“西向”流向昏侧方向。尤其是 Y>10RE. 的区域

统计结果表明，磁尾电流片存在明显的晨昏不对称性。在磁地方时～21:00– ～ 01:00 范围内，电流片普遍较薄，负 Bz 出现概率较高。这表明，在该区域范围内磁尾能量容易通过重联或电流中断等活动得到释放，相应若将该电流片区域映射到极区电离层，那么对应亚暴极光活动在磁地方时～ 21:00– ～ 01:00 范围内的发生概率也会相对较高。这与 IMAGE-FUV 的统计观测是相一致的。

极光亚暴随磁地方时的分布（ IMAGE-FUV ） (引自 Frey et al., 2004).

等离子体片的地向渗透一直是空间天气研究的重要内容。 2011 年曹晋滨等人利用 TC-1 卫星 2004 － 2006年的离子探测数据，研究了等离子体片内边界环绕地球的分布，以及随地磁扰动 Kp 指数的变化规律，并建立了第一个磁尾等离子体片内边界的全球模型。

5. 磁尾等离子体片内边界的全球模型

平静时期和活动时期等离子体内边界赤道面分布

利用搭载于 Cluster四颗卫星上的磁场和等离子体观测仪器，对 2001 和 2002 两年发生在磁尾等离子体片中的高速流事件中的磁场变化进行了统计研究。统计结果表明，在高速流前端，伴随着等离子体整体速度的增加，磁场 Bz 分量出现先短暂减小然后剧烈增加的现象。

6 . 磁尾等离子体片高速流与偶极化锋面特性统计分析

Cluster 卫星观测到的 219 个高速流事件统计图

利用 THEMIS五颗卫星的数据，同时结合 THEMIS 地面台站的极光和地磁观测，研究了 2008 年 3 月 1 日 UT 08:30-10:00 时间段的一个中等强度亚暴事件。发现不同的卫星在不同的时间观测到了不同数量的偶极化事件，这一系列的偶极化的触发位置有一个明显的尾向移动，而每一次偶极化事件又有一个地向的传输过程。这些观测结果和地面极光的增亮过程可以很好的联系起来。同时，在一次次偶极化事件中，我们会看到离子和电子的能通量都有明显的增加，离子和电子有地向注入的过程。综上所述，我们观测到了亚暴过程中局地瞬时的磁能释放过程。

7. 磁层亚暴的多次分立爆发特征分析

亚暴过程中磁尾一系列偶极化事件演化过程示意图

[Ma, Shen, et al., in submission, 2011]

分析双星计划 TC-2NUADU仪器第一手的中性原子成像数据，开展环电流离子分布形态以及动态演化的研究。探测数据分析结果显示，磁暴期间南向的行星际磁场（ IMF ）分量在离子从磁尾向内磁层注入和随后的环电流增长过程中起着关键的作用；能量越高的离子越不容易进入小 L值区域被捕获。利用环电流离子稳态模型模拟计算环电流区的 ENA 通量，与 NUADU 的观测数据进行对比分析；模拟计算 ENA 通量空间分布与 NUADU 观测 ENA 图像一致。

8. 磁暴环电流离子分布的双星中性原子成像探测研究

磁暴环电流区中性原子成像探测与模拟结果比较

图 5 2004-11-07 磁暴（ Kp=8 ， Dst = -88nT ）期间，于 23:08:49UT ， r = 4.18 RE ， NUADU 观测 ENA 图像（左列）和模拟 ENA 图像（右列）的对比

图 5 2004-11-07 磁暴（ Kp=8 ， Dst = -88nT ）期间，于 23:49:19UT ， r = 2.95 RE ， NUADU 观测 ENA 图像（左列）和模拟 ENA 图像（右列）的对比

观测与模拟比较研究 观测与模拟比较研究 – – 地方时分布特性地方时分布特性 环电流离子的地方时分布具有能量无差异特性，不同能量环电流离子的注入区域、漂移路径和损失过程基本相同。

主相期间观测的 ENA 通量在方位角 100 度附近达到最大，模拟图像通量最大方位角位置与观测图像不同。

2004-11-07 23:08:49UT ，主相， Kp=8

观测与模拟比较研究 观测与模拟比较研究 – – 高度高度 //纬度分布特性纬度分布特性 模拟图像具有更宽的仰角分布范围，通量最大值方向相对远离地球边界线。

模拟计算采用的地冕中性层模型在低高度区域低估了中性层密度。

ENA 电离损失：（ 2004-11-08 03:53:37UT ）

+z

+yO

S1

S2

A1

B1

C1

A2

B2

C2

AB

C

D

Earth

11.25º

4524 km

26343

km

6400 km

8287 km

Exobase

60º

D2

E2

T13T1

4T15

T11

T12

T8

D1

600 km

变分辛积分方法保持系统的辛结构，其数值计算结果在整个积分时间里都保证误差在一定的小范围内。在长时间计算中，辛积分方法比传统的 RK4 方法更有优越性。计算结果清晰显示 RK4 方法所得粒子轨迹发生扭曲，而变分辛积分方法在总时间内保持误差在一定范围内。事实上，这种辛积分这种特性在任意长时间的计算里都能保持。在将来波粒子相互作用的研究中，我们将采用更精确的磁场与电场模型。另外磁层中屏蔽电场也将考虑。

9 ．辐射带高能电子演化的变分辛积分算法研究

图（ 3 ）考虑对流电场与共转电场， 4KeV质子在磁层中“ ”的 香蕉 轨道。（ a）为 RK4计算结果，（ b）为辛积分计

算结果。

依据环电流粒子暴的动态演化的福克 -普朗克方程，初步编制了环电流粒子动态演化计算程序，具有良好的稳定性和准确度。此数值模式能够描述各能量段（中能和高能）环电流粒子在各种磁层电场作用下的全球空间分布，能谱特征以及投掷角分布。数值模拟分析了若干种典型情况。

10. 磁暴环电流离子动态演化数值模式

环电流离子全球演化的动力学模拟

磁暴注入离子 (能量 100Kev, 投掷角 90 度 ) 在内磁层的磁飘移运动

2011 年度主要完成成果： 1. 提出原创性的多点卫星探测数据分析新方法； 2 . 由探测分析得出地球磁层顶以及极尖区的几

何结构和曲率半径的空间分布； 3 . 首次发现太阳风动压和 IMF 不同步现象，

连续磁重联触发先于瞬时重联； Cluster 在高纬区探测到了反平行磁重联过程。

四 . 总结

4 . 磁尾电流片 /等离子体片结构 : 统计分析得出磁尾电流片大空间尺度结构分布 ,建立了第一个磁尾等离子体片内边界的全球模型；

5 . 磁层亚暴多时空演化规律 : 统计分析磁尾等离子体片高速流与偶极化锋面特性 ,分析了磁层亚暴的多次分立爆发特征 ;

6. 磁暴环电流离子分布的双星中性原子成像探测研究；

7 ．开发了辐射带高能电子演化的变分辛积分算法，初步建立环电流离子全球演化的动力学数值模式。

2011 年已发表 SCI 论文共计 18 篇；获得空间探测仪器发明专利 4 项。

地球空间双星探测计划获 2010 年度国家科技进步奖一等奖（主要完成人：刘振兴等）； 2011 年傅绥燕荣获国际宇航科学院通讯院士。

课题 4 已经按计划完成了 2011 年度课题研究任务，实现了预期目标。

2012 年度研究计划如下：(1) 利用双星 , Cluster ， THEMIS 和 ACE 等多点卫星全球联合探测数据，对磁层亚暴进行大量的个例分析以及统计分析研究；分析近地磁尾等离子体片结构，建立经验模式；分析近地磁尾电流片的不稳定性及效应，粒子加速与加热机制；对等离子体片中高速流与磁结构的关联以及演化问题开展统计研究；着重开展卫星资料的联合观测，注重新的现象和物理过程的发现，为建立新的理论模型提供依据；分析研究亚暴在近地磁尾蓄积磁能，触发以及能量释放的整体演化过程；(2) 分析研究磁暴期间，尤其超强磁暴期间，磁层 - 电离层系统中的电场和电流体系全球三位分布及演化，概括磁层磁暴多尺度特性及演化规律，揭示磁暴 - 亚暴物理关系；(3) 研究相对论电子事件与地球磁暴和亚暴的关系；在充分分析辐射带粒子暴机理的基础上，建立辐射带粒子暴动力学方程，编制数值模拟程序。

五、 2012 年度研究计划

预期目标：建立磁尾动力过程的若干模式，为揭示亚暴机制建立重要基础；获得磁层 - 电离层系统中的电场和电流体系全球三维分布及演化规律；认识磁暴 - 亚暴关系物理图像；改进辐射带粒子暴模型，数值模拟粒子暴的全球发展过程，服务于航天活动空间天气安全保障。完成学术论文 8-12 篇。

谢 谢！