利用Grad-Shafranov系列方法和MHD重构技术研究磁层中的磁场和流场结构

地球磁层中存在许多瞬变空间物理现象，例如磁层顶的通量传输事件(FTE)，磁层低纬边界层的K-H涡流，磁尾的爆发性整体流（BBF），瞬时场向电流，磁通绳/磁岛（Flux Rope/Plasmoid）以及快速的等离子体片摆动事件等。这些现象通常很难用具体的理论模型来定量解释。G-S系列方法和MHD重构技术是新近发展起来的重现二维结构的方法，是把定性的研究磁层等离子体结构过渡到定量研究的有效手段。本研究有两个主要内容:(1)发展Grad-Shafranov (G-S)系列重构技术，包括磁场重构、流场重构和MHD重构；(2)利用G-S重构技术研究磁层中的涡流(Vortex), 等离子体磁岛, 磁绳和等离子体整体流结构,分析它们的形成机制，以及各种中尺度的磁场和等离子体结构在太阳风-磁层耦合、磁层-电离层耦合过程中的作用。

在本基金面上项目《Grad-Shafranov（GS）系列方法和MHD重构技术研究磁层中的磁场和流场结构— 项目批准号： 41074117》 的支持下，我们的GS重构结果首次给出了不受任何模型约束的压缩波的二维图象，显示了磁力线疏密交替变化的特征。 我们进一步定量的得出ULF PC5压缩波的波长为2至4个地球半径，磁场形态与前人提出的经验压缩波2维驻波模型相似。 在本研究的重构中，我们不仅重现了ULF Pc5压缩波的三个磁场分量的分布，还定量地重现了波场中的热压强，电流密度的分布。为了验证GS方法对ULF重构的有效性，我们先用一维电流片模型及其解析解检验了GS重构方法对开放磁力线结构的重构效果，结果表明除了边角磁势之外，整体开放磁力线结构的重构的误差在10％以内。 我们的GS重构结果首次给出了不受任何模型约束的压缩波的二维图象，显示了磁力线疏密交替变化的特征。 我们进一步定量的得出ULF PC5压缩波的波长为2至4个地球半径，磁场形态与前人提出的经验压缩波2维驻波模型相似。 在本研究的重构中，我们不仅重现了ULF Pc5压缩波的三个磁场分量的分布，还定量地重现了波场中的热压强，电流密度的分布。.利用Cluster卫星数据观测到的513个太阳风热流异常（HFA）事件，对粒子流的偏转方向、空间分布特点、行星际间断面及HFA结构两侧电场指向对HFA事件形成的影响、背景太阳风发展成HFA事件中能量的变化情况以及HFA事件不同演化阶段的特点进行了研究，并由此对HFA事件的形成条件、结构特征等得到统计结论，对粒子在地球弓激波附近的运动特征进行了分析。