行星际激波与地球磁层作用的全球mhd数值模拟

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1、摘要本文开展太阳风一磁层一电离层系统的全球磁流体力学(MHD)数值模拟研究，依次分析电离层处理、定态磁层结构、行星际(IP)激波对磁层的作用，以及由此产生的电离层响应，并将模拟结果和相关观测事实进行比较。对电离层采用球壳近似和静电描述，假定Pedersen电导率均匀，忽略Hall电导；磁层给电离层提供场向电流(FAC)，作为电离层电场的驱动源。通过求解电离层电势满足的椭圆型方程，求得由场向电流产生的电势分布。该电势分布沿偶极场力线映射至内磁层，引起电场漂移，驱动磁层对流。我们联合使用傅里叶变换和三对角代数方程组的追赶

2、法求解电离层电势方程，并通过一个简单例子对计算程序进行检验，所得到的数值解和解析解精确符合。结合上述电离层一磁层耦合模型，采用己发展的PPMLR—MHD全球模拟算法，就准定态磁层一电离层大尺度结构进行模拟研究。分别针对北向和南向行星际磁场(IMF)情况，求得定态磁层数值解和电离层电势分布。对于北向IMF情况，地磁场处于全闭合状态，磁重联发生在极尖区附近尾向一侧，电离层出现多涡旋对流结构。对于南向IMF情况，地磁场处于部分开放状态，磁重联发生在向阳侧磁层顶和磁尾，电离层出现典型的双涡旋对流结构。两种IMF条件下的磁层结

3、构存在显著区别。上述结果与前人定性估计或数值模拟得到的结果基本一致。为模拟磁层一电离层系统对行星际(IP)激波的动力学响应，我们取Parker螺旋场(t3：=0)下的定态解作为初态。该初态可通过下述两个步骤获得。首先，通过时变数值模拟，找到仅存在IMF南北(B：)分量情况下的定态解；然后，从该定态解出发，引入合适的切向间断，让其与磁层一电离层发生相互作用，最终获得所要求的定态解。从上述初态出发，在磁层前方引入IP激波。该激波依次作用于弓激波、磁鞘、磁层顶和内磁层，改变着磁层的几何形状和物理结构。进入电离层的FAC也因

4、此发生变化，导致电离层电势分布的相应变化，并通过向内磁层反馈电场，对磁层对流产生影响。通过比较磁层一电离层对两个动压相同但传播方向不同的IP激波的响应过程，着重分析了IP激波取向对作用后果的影响。结果表明，两激波对磁层具有类似的压缩效果，引发相近的磁层内磁场强度和FAc的抬升。然而，IP激波取向对磁层响应的演化过程具有重要影响。对于沿日地线方向传播的IP激波，磁层响应过程快，激波阵面总体上沿着日地线传播；对于激波传播方向偏离日地线的情况，磁层响应经历的过渡时间显著加长，进入磁层内部后的激波阵面具有更为复杂的形状。这些

5、结果表明，在解释激波一磁层作用摘要事件的多飞船观测结果和分析相关地球物理效应方面，必须考虑IP激波取向的影响。本文还就电离层对IP激波的动力学响应作了初步分析。在Parker螺旋场背景下获得的准定态电离层，由I区电流和对应的极盖区晨昏电场主导。假定IP激波沿日地线撞击磁层。在该激波作用下，电离层I区电流系统朝子夜方向运动，向阳侧相继出现与原I区电流反向的异常FAC对和新生I区电流。该异常电流对在极盖区产生瞬间昏晨向电场，尾随原I区电流向夜侧漂移，强度不断减弱，直至淫没。与此同时，新生I区电流不断增强，并朝低纬方向延伸

6、，最终取代原I区电流，使得极盖区电场重新恢复到正常的晨昏方向。无论是FAC，还是晨昏电位降，都较之激波作用前显著抬升。我们发现，异常FAC与内磁层分量的变化存在密切的关系。此外，电离层响应过程与IP激波的强度有关：激波强度越强，新生的I区电流也越强，能达到的纬度也越低。上述结果在趋势上与观测到的输运对流涡旋和中午亚极光块的运动特征一致。关键词：磁层，电离层，行星际激波，场向电流，数值模拟一IIAbstractThispaperpresentsglobalmagnetohydrodynamic(MHD)simulati

7、onsofthesolarwind—magnetosphere—ionospheresystem，anddiscussesinturnthetreatmentoftheiono—sphere，thestructureofthesteadymagnetosphere，theinteractionbetweeninterplanetary(IP)shocksandthemagnetosphere，andtheresponseoftheionospheretosuchinteraction．Thesimulationres

8、ultsarecomparedwithrelevantobservations．WeusesphericalshellapproximationandelectrostaticdescriptionandtakeauniformPedersenconducfivityandzeroHallconductivityfortheionosphere