下载文档原格式
地球环电流动力学过程研究庄雁;乐超【期刊名称】《地球与行星物理论评》【年(卷),期】2022(53)5【摘要】地球环电流主要分布在赤道附近约2~7个地球半径的区域,是地球磁层最重要的电流系统之一.高能离子(~1 keV到数百keV),例如质子和氧离子,被认为是环电流的主要载流子.地球磁暴期间环电流的增强被广泛认为是地球表面水平磁场扰动的主要原因.在磁暴主相之后,环电流通常需要几天(即磁暴恢复相)才能恢复到平静时期的水平.本文介绍了不同种类的粒子,特别是氧离子,对环电流的相对贡献以及环电流在磁暴恢复相期间的损失情况.在高极光电集流水平时,不同种类粒子的等离子体压强显著增加,其中H^(+)离子的压强主要分布在等离子体层内,并始终占主导地位.重离子和电子的压强在等离子体层外增加,形成强烈的晨昏不对称性,并分别在黄昏和黎明侧达到峰值.此外,无论是平静时期还是活跃时期,能量从50 keV到几百keV的氢离子贡献的压强是环电流等离子体压强的主要组成部分,而氦的贡献一般较小.在活跃时期,10 keV<E<50 keV的O^(+)离子和0.1 keV<E<40 keV的电子的贡献逐渐变得显著,它们在夜侧的贡献分别超过25%和20%.O^(+)离子对环电流的贡献与地磁活动密切相关.在sym-H值小于−60 nT的大磁暴中,无一例外的总是存在丰富的O^(+)离子,其相对压强贡献可以和H+离子相当(O^(+)离子压强与H+离子压强比R>0.8),在L小于3的情况下,其相对压强的贡献量有时甚至会大于H^(+)离子.与没有O^(+)离子贡献环电流的情况相比,当O^(+)离子对环电流有明显贡献时,O^(+)离子和等离子体总压强明显增大,随着sym-H的减小,压强峰值向低L值移动.此外,当sym-H小于−60 nT时,在大多数L壳层上没有O^(+)离子的概率都为0.这些观测特征都表明,在地磁活跃时期,O^(+)离子在环电流中起重要作用,可以说,没有O^(+)离子就没有磁暴.另一方面,在地磁相对平静的情况下,R 值越小,O^(+)离子不出现的概率越高.这种强相关性表明,在地磁平静的情况下,O^(+)离子总是不存在的.在磁暴恢复阶段,H^(+)离子和O^(+)离子的寿命普遍随着L值的增加而增长,当粒子能量<~50 keV时,H^(+)离子的寿命比O^(+)离子的寿命短,而当能量>~50 keV时情况相反,这与理论预测是一致的.同时,理论计算得到的电荷交换寿命与观测结果基本一致,这证实了电荷交换是磁暴恢复相期间环电流离子损失的主要机制.【总页数】11页(P556-566)【作者】庄雁;乐超【作者单位】北京大学空间物理与应用技术研究所【正文语种】中文【中图分类】P354.1【相关文献】1.地球的梯磁发电和环电流球带研究2.环柱状催化剂内强放热复合反应-传质-传热耦合过程研究(Ⅱ)本征反应动力学及反应-传质-传热耦合过程数学模型3.环—盘电极恒电流阶跃法研究二氧化锰阴极过程4.AAN—01南极洲地球动力学演化和古地理研究环南极洲被动大陆边缘：陆壳-洋壳转换的地球动力学指示5.青藏高原的隆升过程与地球动力学模型研究进展因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
中国空间技术研究院（航天五院）一、单位简介中国航天科技集团公司第五研究院（以下简称五院）隶属于《财富》世界500强的中国航天科技集团公司。
五院成立于1968年2月20日，经过40余年的发展，已成为中国主要的空间技术及其产品研制基地，是中国空间事业的主力军。
建院以来，历代五院人牢记使命、顽强拼搏，树立了中国航天史上一座座新的里程碑，实现了空间技术的新跨越。
1970年4月24日，五院成功研制并发射了中国第一颗人造地球卫星——东方红一号，开创了中国探索外层空间的新纪元。
2003年10月，神舟五号载人飞船载人航天飞行获得圆满成功，使中国成为世界上第三个能够独立开展载人航天活动的国家。
2007年10月，嫦娥一号月球探测器进入环月轨道，实现了中华民族千年的飞天梦想——嫦娥奔月。
2008年9月，神舟七号载人飞船成功实现了中国航天员首次空间出舱活动。
2011年11月“天宫一号”目标飞行器与神舟八号飞船成功实现交会对接，标志着中国载人航天事业发展实现了新的重大突破。
迄今为止，五院共研制、发射和在轨运行一百多个不同类型的航天器，已经形成了以载人航天、深空探测、导航定位、对地观测、通信广播、空间科学与技术试验等六大系列航天器，实现了大、中、小、微型航天器的系列化、平台化发展。
五院十分重视空间技术专业领域人才的培养，现有中国科学院和中国工程院院士7名，国际宇航科学院院士12人，俄罗斯宇航科学院院士8人，11名国家级突出贡献专家和4100多名高级专业技术人才。
自1978年招收研究生以来，已经形成学科专业齐全，管理体制配套的硕士、博士和博士后高层次人才培养体系。
现有博士学位授权一级学科2个，博士学位授权二级学科1个，硕士学位授权一级学科8个，硕士学位授权自主设置二级学科3个，博士后流动站3个，博士后工作站4个。
博士生导师130余人，硕士生导师400余人。
五院设有以研究生培养、员工培训、客户培训为中心任务的神舟学院，拥有包括研究生教室、多媒体电化教室、集同设计实验室等8000多平米的教学实践场地。
冉冉升起的科学新星监利籍青年科学家王劲松小传冉冉升起的科学新星-监利籍青年科学家王劲松小传2011-03-14 19：03王劲松，1970年10月出生于龚场镇王家村，现任国家空间天气监测预警中心空间天气室主任，中国气象局国家级空间天气业务负责人，博士、研究员、博士生导师。
禀赋聪颖，燕园学成王劲松1976年(5岁半)始业于秦场小学；1981年毕业后进入秦场中学初中，一年后转校至龚场中学初中部学习；1983年初中毕业后考入监利县第一中学，1987年高中毕业，并于当年高分考入北京大学。
劲松禀赋聪颖，从小喜欢读书，广泛阅读并常能过目成颂，且善于独立思考。
自小学至初中毕业的八年中，多次获得县、区、乡各级别数学竞赛和作文竞赛一、二等奖，屡蒙"神童"之赞。
进入中学后，劲松的人生理想渐渐明朗，献身于科学、为人类做贡献成为了一生笃定之追求。
王劲松自1987年八月进入北京大学美丽的燕园，为实现既定人生目标而勤奋研习。
分别于1991年7月和1994年7月获得北京大学理学学士和理学硕士学位(空间物理学)；后考入中国科学院攻读博士，并于1997年6月获得中科院理学博士学位(空间物理学)；接着，再回北大，进入博士后研修阶段，于1999年6月完成研修任务出站，随即受聘为北大地球物理系任副教授。
从小学到博士后，求学历程长达25年！劲松从一个农村娃成为出身并任教于中国最高学府之一的燕园学者！受邀访欧，守诺归来2001年初，时任北大副教授、北京大学空间物理与应用技术研究所副所长、在空间物理方面已取得一系列科学成果的王劲松，受德国马克斯-普朗克高空物理研究所邀请，成为该所客座研究员，并参与欧洲"火星快车"计划中的电离层研究，成为国内第一个参与欧洲火星计划的科学家。
在他接触火星研究的第三个月，他的第一篇关于火星研究的论文被公认为国际最好的空间科学学术期刊接受--他预言了火星和金星电离层顶层有一种新的波动，很快在同一刊物，他又用数据证明了这一波动的存在。
爱考机构-北大考研-地球与空间科学学院研究生导师简介-傅绥燕傅绥燕Email：suiyanfu(at)联系电话：62767194个人主页：办公室：物理北楼418职称职务：教授/高级职称党委副书记个人简历教育背景：1988年毕业于北京大学地球物理学系，获学士学位，1991年获北京大学空间物理学硕士学位。
2001年于德国不伦瑞克技术大学，获博士学位。
工作经历：1991年之后在北京大学地球物理系工作。
1993、1994年先后两次在意大利国际理论物理中心（ICTP）访问。
1996年被破格提升为副教授。
1997年赴德国马普高空大气所（MPAe）做访问研究，2001年回国到北京大学地球与空间科学学院工作，2003年晋升为北京大学教授，博士生导师。
曾任北京大学空间物理与应用技术研究所所长。
主要从事地球磁层物理方面的研究，发表与合作发表科研论文80余篇。
荣誉、获奖情况（省部级及以上）：曾先后于1992年获光华安泰青年科研成果奖，1993年获北京大学第四届科学技术成果一等奖（参加者），1995年获“宝钢优秀教师奖”，1996年获得第四届“赵九章优秀中青年科学工作奖”，2000年获教育部《中国高校科学技术奖》一等奖（参加者）。
2004年国家自然科学基金委杰出青年基金获得者，2005年基金委海外杰出青年基金合作者，2006年获得由中国科学技术委员会、中华全国妇女联合会、中国联合国教科文组织委员会联合颁发的”中国青年女科学家奖”提名奖。
学术或社会职务：现任中国空间科学学会空间物理专业委员会委员，中国地球物理学会空间天气专业委员会副主任委员，中国地球空间双星探测计划中国工作队成员，FGM 合作科学家，欧空局CLUSTER卫星计划RAPID项目合作科学家，曾任亚太地球物理学会（AOGS）磁层组学术秘书职务等，并担任《中国物理快报》等期刊特约编审工作情况及研究方向教学与主讲课程：《电磁学》《等离子体物理基础》《空间等离子体物理》所在专业与主要研究方向：磁层物理学与等离子体物理主持的主要科研课题：自然科学基金项目、国家科技部973项目、总装备部863项目等科研成果与主要论著国内外学术刊物：[1]Pu,Z.Y.,S.Y.Fu,?and?S.C.Guo,?ThePropertiesofKineticDriftUnstableModesattheMagnetopausei naCollisionlessPlasma,inProceedingsoftheSecondSymposiumonPlasma-MatterInteraction,?p.35,?1 989.[2]濮祖荫、傅绥燕、郭世宠、刘振兴,磁层顶的漂移动力学Alfven波不稳定性和反常输运,地球物理学报,V.34,?p.404,?1991.??[3]Fu,S.Y.,?Z.Y.Pu,?andZ.X.Liu,??Vortex-inducedStochasticreconnectionin?theSolarWind-Magne tospheric?Boundary?Region,?in?ThefourthInternational?SchoolforSpaceSimulations,?p.134,?199 1.*[4]傅绥燕、濮祖荫、刘振兴,?磁层顶的涡旋诱发重联和单X线重联,地球物理学报,V.36,p.553-,1993.*[5]傅绥燕、濮祖荫、刘振兴,地球磁层顶湍动重联的数值模拟,地球物理学报,V.37,p.282-,1994.*[6]濮祖荫、傅绥燕、刘振兴,磁场湍动重联的新模型,?科学通报,V.39,p.1584,1994.[7]濮祖荫、傅绥燕、李尧亭、陈祖幸、刘振兴、A.Korth、G.Kremser,磁层亚暴膨胀相的近地触发模型,空间科学学报,V.14,p.30,1994.[8]傅绥燕、濮祖荫、李尧亭、刘振兴,?磁层顶剪切系统的非线性性态和混沌,中国科学(A),V.24,p.424,1994.*??(英文版：ScienceinChina(A),37,N.12,p.1497,1994).[SCIQH632][9]濮祖荫、傅绥燕,磁场二维随机重联,非线性科学和数值模拟通讯,?p.1,?1994.[10]Fu,S.Y.,Z.Y.Pu,andZ.X.Liu,Vortex-InducedMagneticReconnectionandSingleXLineReconnecti onattheMagnetopause,J.Geophys.Res.,100,5657-5663,1995.?[SCIQR195][11]Fu,S.Y.,Pu,Z.Y.,Z.X.Liu,andZong,Q.G.,SimulationStudyonStochasticReconnectionattheMagn etopause,J.Geophys.Res,100,12001-12009,1995.?[SCIRG737][12]Pu,Z.Y.,?S.Y.Fu,?Z.X.Liu,?and?F.Li,?Vortex-InducedReconnectionandTurbulentReconnection? in?Magnetospheric?BoundaryRegion,?in?AGUGeophysical?Monograph86,SpacePlasma:Couplin gBetweenSmallandMediumProcesses,?ed.byM.Ashour-Abdallaetal.,p.181,1995.[13]Fu,S.Y.,Pu,Z.Y.,GaoS.C.,andZ.X.Liu,KineticAlfvenWaveInstabilityandWave-ParticleInteracti onattheMagnetopause,inAGUMonograph86:SpacePlasma:CouplingBetweenSmallandMediumPro cesses,ed.byM.Ashour-Abdallaetal.,p.73,1995.*[14]傅绥燕、李尧亭、濮祖荫,?带电粒子在尾瓣磁场中的非线性运动,?1995年中国青年学者技术科学讨论会,1995.*[15]Pu,Z.Y.,?and?Fu,S.Y.,?MagneticReconnectionattheMagnetopauseinthePresenceofaVelocitySh ear,in1996InternationalConferenceonPlasmaPhysics,Nagoya,Japan,p.9Y3,(特邀报告)1996. [17]濮祖荫、洪明华、王宪民，陈祖幸、傅绥燕、宗球刚、王敬芳、刘振兴等,?亚暴膨胀相近磁尾位形不稳定性模型1.近磁尾位性不稳定性模型,地球物物理学报,V.39,p.441.1996.(英文版：Puetal.,ASubstormExpansionModelBasedonConfigurationInstabilityoftheNear-EarthMagnetotail.I. ConfigurationInstabilityintheNear-EarthMagnetotail.,ChineseJ.ofGeophysics.,V.39,N.4,461-472,1 996).[18]濮祖荫、傅绥燕、颜小洋、康孔斌、徐良、刘振兴,磁层顶侧面的的磁重联及其发电机效应,?“地磁、大气、空间研究和应用”,?pp.507,地震出版社,1996.[19]刘振兴、张洪、陈涛、濮祖荫、傅绥燕,?磁层顶边界区的瞬时重联和等离子体团事件,"地磁、大气、空间研究和应用",?p.495,地震出版社,1996.[20]Pu,Z.Y.,?and?S.Y.Fu,?TransientMagnetic?Reconnectionatthe?MagnetopauseinthePresenceofa VelocityShear,PlasmaandControlledFusion,39,A251-260,1997.[SCIXD875][21]Pu,?Z.Y.,Korth,A.,Chen,Z,X.,R.H.W.Friedel,Q.G.Zong,,XM.Wang,MH,Hong,SY.Fu,,Z.X.Liu, PulllinenTI,MHDDriftBallooningInstabilityNeartheInnerEdgeoftheNear-EarthPlasmaSheetandIts ApplicationtotheSubstormOnset,J.Geophys.Res.,102,14397-14406,1997.[SCIXJ204][22]Pu,Z.Y.,Fu,S.Y.,andLiu,Z.X,?SmallandMedium-Scale?MagneticReconnectionatthemagnetopa use,?inProceedingsofTheFifthInternationalSchool/SymposiumforSpaceSimulations,p.114,Kyoto,J apan,1997.[23]Liu,Z.X,...Pu,Z.Y.,andFu,S.Y.,MagneticReconnectionattheMagnetopauseBoundary?Layer,inE xtended?Abstractof?TheFifthInternational?School/Symposiumfor?SpaceSimulations,p.106,Kyoto, Japan,1997.(特邀报告).[24]濮祖荫、陈祖幸、傅绥燕、宗秋刚、刘振兴、R.Friedel、A.Korth，能量粒子净通量强度分析法及其在磁层亚暴研究中的应用，赵九章先生纪念文集，p.238-253，叶笃正主编，科学出版社，1997.[25]濮祖荫、康孔斌、洪明华、陈祖幸、傅绥燕、宗秋刚、刘振兴、R.Friedel、A.Korth，磁层亚暴的协同学全球模型，北京大学学报,V.34,N.2-3,p.193-200,1998.[26]濮祖荫、徐良、徐涛、傅绥燕，刘振兴,磁层顶向阳面磁重联，刘光鼎先生70华诞纪念文集,?科学出版社,798-809,1998.[27]Pu,Z.Y.,M.H.Hong,K.B.Kang,Z.X.Chen,S.Y.Fu,X.MWang,A.Korth,R.H.W.Friedel,Q.G.Zong, andZ.X.Liu,ConfigurationInstabilityintheNear-EarthTail:ASynthesisofReconnectionandCurrentDi sruptionModelsintheGlobalInitiationofSubstorms,inProceedingsofInternationalConferenceonSubst orms-4,pp.405-408,TerraScientificPublishingCompany(Tokyo)andtheKluwerAcademicPublishers( Dordrecht,London,andBoston),1998.[28]濮祖荫、康孔斌、洪明华、陈祖幸、傅绥燕、宗秋刚、刘振兴、A.Korth,R.H.W.,Friedel、磁层亚暴的中磁尾-近磁尾-极区电离层全球模型，空间物理前沿进展：北京大学100周年校庆文集，pp.148-175,濮祖荫主编，气象出版社，1998.[29]Zong,Q.-G.,B.Wilken,S.Y.Fu,T.Doke,andS.Kokubun,Energeticoxygen?ionsinthemagnetosheat hinthenegativeBzphaseofthe?CME?onJanuary10,1997,Adv.SpaceRes.,25,2421-2424,1999.[30]Pu,Z.Y.,K.B.Kang,A.Korth,S.Y.Fu,,Q.G.Zong,M.H,Hong,Z.X.Liu,C.G.Mouikis,R.W.H.Friede l,andT.Pulkknien,Driftballooninginstabilityinthepresenceofaplasmaflow:Asynthesisoftailreconnect ionandcurrentdisruptionfortheinitiationofsubstorms,J.Geophys.Res.,104,10235-10248,1999.?[SCI 192BQ][31]PUZu-yin(濮祖荫),KANGKong-bin(康孔斌),FUSui-yan(傅绥燕),CHENZu-xing(陈祖幸),XUTao(徐涛),HONGMing-hua(洪明华),WANGXian-min(王宪民),ZONGQiu-gang(宗秋刚),LIUZhen-xing(刘振兴)，ASynthesizingTailReconnectionandCurrentDisruptionModelforSubstormInitiation,ChinesePhysics Letters,1999,ISSN0256-307X:226-230.[32]宗秋刚、濮祖荫、傅绥燕、叶宗海、余彬，“极区粒子沉降：谱形式及其在极区大气中的传输”，极地研究，11.p.203,1999.*[33]焦维新、濮祖荫、方晓华，傅绥燕，南大西洋异常区的辐射环境与低轨卫星粒子辐射通量计算，地球物理学报，42,163-168，1999?[SCI247MA].?[34]濮祖荫,余?彬,谢?伦,焦维新,宗秋刚,傅绥燕,磁层高能电子暴,中国科学(A),30，增刊，127-130，2000..[35]Q.G.Zong,B.Wilken,S.Y.FuandZ.-Y.PuEnergeticOxygenIonsSoundingtheMagnetopauseMultis cale/MultipointPlasmaMeasurementsESASP-449,P.379-385,2000[36]Zong,Q.-G.,B.Wilken,and?S.Y.Fu,Nonlineareffectsofthemagnetotail?particlemotionintime-dep endentelectricfield,?AstrophysicsandSpaceScience,747-754,2000.[37]傅绥燕，濮祖荫，宗秋刚，肖池阶，B.Wilken，“大磁暴环电流离子成分的变化及其与磁暴演化的关系”，地球物理学报,44，1,2001,*（英文版：IonCompositionVariationsinIntenseMagneticStormsandTheirrelationtoStormEvolution，FuSuiyan，PuZuyin，ZongQiugang，XiaoChijie，Xielun，andB.Wilken,Chinese,J.Geophysics,44,2001）.?[SCI415CA][38]S.Y.Fu,Q.G.Zong,B.Wilken,Z.Y.Pu,Temporalandspatialvariationofthe ioncompositionintheringcurrent,SpaceSci.Rev.,inSpecialIssue"ChallengetoLong-standingUnsolvedSpacePhysicsProblemsinthe20thCentury",ed.byC.deJager&S.Akasofu,95,539-554,2001.?[SCI39 1PU][39]Pu,Z.Y.,A.Korth,Z.X.Chen,Z.X.Liu,S.Y.Fu,G.Zong,M.H.Hong,X.M.Wang,AGlobalSynthesis ModelofDipolarizationatSubstormExpansionOnset,?J.AtmospereSolar-TerrestrialPhysics,63，671－681，2001.[SCI432EM][40]Zong,Q.G.,B.Wilken,S.Y.Fu,T.A.Fritz,D.J.Williams,andZ.Y.Pu,?Ringcurrentoxygenionsescapi ngintothemagnetosheath,J.Geophys.Res.,106,p.25541-25556，2001.[SCI490JT][41]宗秋刚、傅绥燕、濮祖荫、B.Wilken,磁尾等离子体结构：GEOTAIL观测，刘振兴、叶永煊主编：空间物理进展（第三卷），pp.124-164,2001.[42]宗秋刚，濮祖荫、黄宗英、傅绥燕、B.Wilken，磁层氧离子向磁鞘泄漏的机制和效应，空间科学学报，21，p219-229，2001.[43]S.Y.Fu,B.Wilken,Q.G.Zong,Z.Y.Pu,?Ioncompositionvariationintheinnermagnetosphere-Indivi dualandcollectivestormeffectsin1991,J.Geophys.Res..Vol.106,No.A12,p.29,683,??2001?[SCI519L V][44]Jin,S.P.,X.P.Hu,Q.-G.Zong,S.Y.Fu,B.WilkenandJ.Buchner,A2.5dimensionalMHDsimulationof multiple-plasmoid-likestructuresinthecourseofasubstorm,J.Geophy.Res.,V ol.106,No.A12,p.29,807, 2001.[SCI519LV][45]Fu,S.Y.,Q.G.Zong,T.A.Fritz,Z.Y.Pu,B.Wilken,Compositionsignatureinioninjectionsanditsdepe ndenceongeomagneticconditions?J.Geophys.Res.,107(0),10.1029/2001JA002006,2002.[SCI] [46]S.Y.Fu,Q.G.Zong,Z.Y.PuandL.Xie,Geomegneticandsolarcycledependenceoftheringcurrentions. ,COSPARColloqiumseriesVolume14,Beijing,421-427,ed.H.N.WangandR.L.Xu,2002,[47]刘绍亮，郭建广，宗秋刚，B.Wilken,傅绥燕，1994年2月21日行星际激波引起的磁暴，空间科学学报，22，p203-211,2002.[48]Q.-G.Zong,T.A.Fritz,S.Y.Fu,Z.Y.PuandP.Daly,EnergeticIonsintheHighlatitudeMagnetosphere DuringtheLeadingPhaseofACME,359-369,COSPARColloqiumseriesVolume14,2002.[49]Z.Y.Pu,L.Xie,X.H.Fang,W.X.JiaoS.Y.Fu?andQ.G.Zong?DriftShellTracingandSecularVariation ofinnerRadiationEnviromentintheSAARegion.353-358,COSPARColloqiumseriesVolume14,2002 [50]L.Xie,Z.Y.Pu,B.Yu,S.Y.Fu,Q.G.ZongandJ.N.Tu,InjectionofIntenseStormRingCurrentIonsCOS PARColloqiumseriesVolume14,2002[51]Q.-G.Zong,T.A.Fritz,S.Y.Fu,H.U.Frey,H.Spence,H.Petschek,S.B.Mende,A.KorthandP.W.Daly, TheReverseConvectionandCuspProtonAurora:Cluster,PolarandImagerObservation??Adv.SpaceRe s.,VOL27,No.12,inpress,2002[52]傅绥燕，宗秋刚，濮祖荫，刘文龙，地磁活动与太阳活动对于环电流离子成分与位置的影响，地球物理学报，46(6),725-730,2003(英文版：Effectofgeomagneticactivityandsolar-cyclevariationontheringcurrentions，FuSuiyan，ZongQiugang,PuZuyin，，LiuWenlong,Chinese,J.Geophysics,46,2003[54]谢?伦，濮祖荫，周煦之，傅绥燕，宗秋刚,磁暴环电流形成过程，科学通报，2004，Vol.49(6),603?(（L.Xie,Z.Y.Pu,X.Z.Zhou,S.Y.Fu,Q.G.Zong,T.Fritz，ENERGETICIONINJECTIONANDFORMATIONOFTHESTORM-TIMERINGCURRENT）[55]Q.-G.Zong,T.A.Fritz,Z.Y.Pu,S.Y.Fu,?D.N.Baker,H.Zhang,A.T.Lui,?I.Vogiatzis,K.H.Glassmeie r,A.Korth,P.W.Daly,A.Balogh,andH.Reme,Clusterobservationsofearthwardflowingplasmoidintheta il?Geophys.Res.Lett.,Vol.31,L18803,doi:10.1029/2004GL020692,2004[56]濮祖荫,史全岐，肖池阶，傅绥燕，张慧，涡旋重联的Hall-MHD模拟及其在高纬磁层顶的应用，中国科学E辑，2004，34（7）：804-817（英文版：Simulationstudiesofhigh-latitudemagnetosphericboundarydynamics,?PUZuyin,SHIQuanqi,XIAO Chijie,Fu,Suiyan,ZhangHui,ZongQiugangandLIUZhenxin.ScienceinChinaSerE,2004,Vol47,No.4, 421-435）[57]黄宗英，濮祖荫，肖池阶，宗秋刚，傅绥燕，谢?伦，史全岐,曹晋滨，刘振兴，沈?超,史建魁,?路?立，王迺权，陈?涛,?T.Fritz,?K.-H.Glassmeier，P.Daly，Reme,2001年1月26日高纬磁层顶通量管事件的观测研究（I）,地球物理学，Vol.47,181-190，2004.(HUANGZong-Ying,PUZu-Yin,XIAOChi-Jie,etal.,MultipleFluxRopeEventsattheHigh-Latit udeMagneto-Pause:Cluster/RapidObservationonJanuary26,2001,CHINESEJOURNALOFGEOPH YSICSVol.47(2),197,2004[58]肖池阶，濮祖荫，黄宗英等，2001年1月26日高纬磁层顶通量管事件的观测研究——空间电流密度计算分析，地球物理学报，47(4),555-561,2004。
第27卷 第2期核电子学与探测技术V ol.27 N o.22007年 3月Nuclear Electr onics &Detection T echnolo gyM ar ch 2007Si PIN 硅条带探测器的电子学测试邹 鸿1,陈鸿飞1,邹积清1,宁宝俊2,施伟红1,田大宇2,张 录2(1.北京大学空间物理与应用技术研究所;2.北京大学微电子所北京100871)摘要:采用电子学等效方法对所研制的Si PIN 条带探测器的基本性能进行测试。
SiPI N 条带探测器是在一个硅基片上刻蚀多个条带探测器,常用于空间探测中的粒子方向测量。
介绍了对Si PI N 条带探测器电子学等效测试方法和结果,重点探讨了条带之间的串扰问题。
关键词:硅条带探测器;空间粒子探测;耗尽电容;条间串扰中图分类号: T L814 文献标识码: A 文章编号: 0258 0934(2007)02 0170 04收稿日期:2005 12 11基金项目:国家自然科学杰出青年基金资助(40425004)作者简介:邹鸿(1975 ),男,四川人,博士,北京大学空间物理与应用技术研究所博士后,从事空间物理与空间探测的研究硅条带探测器阵列具有位置分辨率高,处理速度快等优点,被广泛用于高能物理实验中[1 3],另外还可用于X 射线和 射线成像。
根据其良好的位置分辨率,它还被用于探测空间粒子的投掷角分布[4]。
由于空间粒子辐射是各向异性的,投掷角测量对认识空间粒子分布和研究空间物理过程非常重要。
在欧空局的CLU STER 星簇计划中的IES (Im ag ing Elec tro n Spectrom eter 成像电子能谱仪)中,有三个相同的针孔相机组成探头。
每个针孔相机覆盖60 的极角扇面,且在焦面上放置硅条带探测器测量更细的扇角,如图1所示。
整个探头可以覆盖180 极角扇面,随着卫星自转扫过360 方位角,因而可以进行全方位成像探测。
北大物理学就业方向一、北大物理学概况北京大学物理学院（以下简称“北大物理学院”）成立于1912年，是我国最早的物理学科之一。
经过百余年的发展，北大物理学院已经成为国内外知名的高水平物理学科研和教学机构。
学院现有教职工300余人，其中中国科学院和中国工程院院士12人，教授100余人，副教授和高级工程师80余人。
学院设有物理学系、应用物理学系、凝聚态物理研究所、粒子物理与原子核物理研究所等教学科研机构，涵盖了物理学的各个分支。
二、北大物理学就业方向1. 教育行业作为国内顶尖的物理学科，北大物理学院的毕业生在教育行业具有很高的竞争力。
毕业生可以在各级各类学校从事物理教学和科研工作，也可以在高等教育机构担任物理学科的研究人员。
2. 科研机构北大物理学院的毕业生在科研机构具有广泛的发展空间。
毕业生可以在中国科学院、中国工程院等国家级科研机构开展物理学相关的研究工作，也可以在各类研究所、实验室从事物理学科的基础研究和应用研究。
3. 高科技企业随着我国科技产业的快速发展，高科技企业对物理学科毕业生的需求逐年增加。
北大物理学院的毕业生可以在电子信息、新能源、新材料、生物技术等领域的企业从事技术研发、产品设计和生产管理等工作。
4. 国家机关和事业单位北大物理学院的毕业生在国家机关和事业单位也具有较好的发展前景。
毕业生可以进入科技部、教育部、中国科学院等政府部门和事业单位，从事与物理学相关的政策研究、科技管理、国际合作等工作。
5. 金融和咨询行业近年来，金融和咨询行业对物理学科毕业生的需求逐渐增加。
北大物理学院的毕业生可以在金融投资、科技创新、产业发展等领域提供专业分析和咨询服务，为企业发展提供有力支持。
6. 国际组织北大物理学院的毕业生还可以在国际组织发挥作用。
毕业生可以进入联合国、世界银行、国际原子能机构等国际组织，从事与物理学相关的国际事务、技术合作和项目管理等工作。
三、总结北大物理学院作为国内顶尖的物理学科，培养了一大批优秀的物理学人才。
空间物理学研究进展作为一门研究宇宙空间中物质、能量和电磁现象的学科，空间物理学自诞生以来一直是人类探索宇宙的重要科研领域之一。
随着科学技术的不断发展和进步，空间物理学研究的领域和深度也在不断拓展和深化，给我们带来了许多新的认知和理解。
太阳与空间环境研究太阳是地球的源头，是地球上一切活动的动力来源。
目前，太阳和空间环境的研究已经成为空间物理学领域的一个重要热点。
在太阳和空间环境研究方面，目前最为重要的一个任务就是探测太阳风及其对地球环境的影响。
美国NASA的“先驱者”任务和“旅行者”任务，欧洲航天局的“月面离子与尘埃探测器”任务，以及中国的“嫦娥”、嫦娥二号”等任务，都对研究太阳和空间环境发挥了极大的作用。
人类还发现，太阳黑子、太阳耀斑和太阳风等现象对地球的磁层和电离层产生了很大影响。
虽然这些现象给人类带来了困扰，但是在科学研究上，却是一个不可多得的良机。
地球电离层研究地球的电离层是地球大气层的一部分，是对短波电信号的传输和接收非常重要的介质。
而在现代社会中，近地空间的电离层活动频繁且日益复杂，已经直接影响到了国防、导航、卫星通信等领域的应用。
因此，人类对电离层的科学研究显得异常重要。
在这方面，我国科学家做出了很多的努力与贡献。
2018年，国家航天局卫星应用中心研制的“星渡2号”微卫星发射成功，实现了中国首次使用微卫星进行电离层科学研究。
同时，我国科学家还开展了多项电离层课题的研究工作，如电离层的结构特征、电离层耦合过程的机制研究、电离层对宇宙射线影响等等。
磁层物理学研究地球的磁场，是对地球磁层和大气流的保护，也是探索宇宙的重要领域之一。
我们知道，磁场是由地球外核的流动所产生的，而磁层就是在地球表面上呈“U”形弧线的磁场范畴。
磁场的变化，不仅影响到地球大气层的电离程度，还会造成地球磁暴，影响到陆地上电子设备的正常使用。
目前，磁层物理学研究已经成为了空间物理学研究的重要分支之一。
我国科学家在磁层物理学研究方面也做出了很多重要的贡献。
爱考机构考研－保研－考博高端辅导第一品牌地球与空间科学学院 空间物理学招生目录地球与空间科学学院 空间物理学考试科目系所名称地球与空间科学学院 招生总数 87人。
系所说明其中推荐免试生占75%左右。
不提供往年试题。
招生专业：空间物理学 (070802) 人数:6研究方向01.太阳风物理 02.磁层物理03.电离层物理和电波传播原理 04.空间天气和空间环境 05.空间探测技术 06.比较行星学考试科目考生可选考我校物理学院天体物理、理论物理专业和信息科学学院电磁场与微波技术专业的任一组考试科目。
复试阶段加试电动力学、空间物理概论，两门任选一门。
1 101思想政治理论 2 201英语一 3 301数学（一）4 825普通物理 (含力学、电磁学、热学)系所名称 地球与空间科学学院 招生总数 87人。
系所说明 其中推荐免试生占75%左右。
不提供往年试题。
招 生 专 业 及 人 数070503 地图学与地理信息系统 12 070801 固体地球物理学 13 070802 空间物理学 6 070901 矿物学、岩石学、矿床学 8 070902 地球化学 7 070903 古生物学与地层学 7 070904 构造地质学 11 070920 地质学（材料及环境矿物学） 4 070921 地质学（石油地质学） 7 081602摄影测量与遥感 12地球与空间科学学院空间物理学专业简介空间物理专业主要研究太阳系特别是日地空间中的物理现象与规律，研究空间环境及其对人大空间活动和生态环境的影响。
空间物理主要研究方向包括太阳大气物理学，日球层（即行星际）物理学、磁层物理学、电离层物理学及电波传播及应用、高层人气（热层和中层）物理学、空间探测实验与技术等。
该专业已培养出一大批日地空间物理、空间环境和空间应用等领域内的杰出的科学家和工程技术与管理人才。
本专业招收硕士研究生与博士研究生。
目前有2位博士研究生指导教师，其研究方向与联系方式见下表：研究方向联系电话备注导师姓名涂传诒电离层物理学和电波传播太阳风湍流、太阳风动力学与日球层物理62767223博导、院士付绥燕磁层物理学、空间等离子体物理学、空间环境学62767194博导地球与空间科学学院空间物理学2010-2012年报录比空间物理学2012年复试分数线根据教育部有关制订分数线的要求，我校按照统考生、联考生等不同类型分别确定复试基本分数线。
论 文第49卷 第6期 2004年3月磁暴环电流形成过程谢 伦① 濮祖荫① 周煦之① 傅绥燕① 宗秋刚②(① 北京大学空间物理与应用技术研究所, 北京100871; ② CSP, Boston University, Boston, MA 02215, USA.E-mail: xielun@ )摘要 利用三维试验粒子轨道计算法, 以强的行星际磁场南向分量驱动的对流电场作为磁暴的主要起因, 研究了大磁暴期间环电流离子的注入过程和对称环电流的形成机制. 本文主要关心大磁暴环电流中的氧离子成分. 计算结果揭示了磁暴环电流形成过程中部分注入粒子轨道具有混沌特征. 特别是证明了粒子由磁尾向内磁层的注入过程中产生的屏蔽电场可使开放轨道转变成闭合轨道, 因而是闭合环电流形成的重要机制. 进一步证明了注入粒子可以得到有效的加速, 加速时间约为1~3小时.关键词 磁暴 环电流 对流电场 屏蔽电场磁暴是整个地球磁层发生的持续十几小时到几十小时的剧烈扰动; 在磁暴主相期间地球赤道附近地磁场水平(H)分量显著下降. 磁暴强度用Dst 指数度量. Dst < −200 nT 为大磁暴, 200 nT < Dst < −100 nT 为强磁暴, −100 nT < Dst < −50 nT 为中等磁暴, −50 nT < Dst < −30 nT 为弱磁暴[1]. 大磁暴和强磁暴是严重的地球空间灾害天气, 其形成机制一直是日地空间物理和空间天气研究的前沿课题[2].多数大磁暴和强磁暴起源于太阳日冕物质抛射事件(CME)[3]. CME 产生的太阳风高速流压缩磁层, 造成地磁场H 分量增加, 产生磁暴初相. 当地球轨道附近行星际磁场(IMF)为南向且维持一段长时间后, 太阳风向磁层输入的能量显著增加, 磁尾等离子体片中大量的离子受到加热并注入环电流区, 环电流大大增强, 地磁场H 分量显著减小, 产生磁暴主相[2]. 环电流主要是由能量为20~200 keV 的离子组成的, 位于2<L <7地区域内. 但是CRRES 卫星观测表明[2], 磁暴主相期间环电流能量的增强绝大部分发生在L <4的低高度范围内; 大磁暴和强磁暴时环电流强度最大值的位置为L <3.5. 一般认为有两种电场可能导致来自等离子体片的离子加速并注入到L 如此小的内磁层: 一是发生在磁暴期间的磁层亚暴产生的感应电场, 另一个是强的IMF 南向磁场驱动的西向对流电场E C . 计算表明[2], 磁层亚暴偶极化产生的感应电场可以将粒子从近地等离子体片内边界注入到同步高度附近, 但不可能将粒子注入到L <4的内磁层. 另一方面, 强磁暴和大磁暴与延续3小时以上、幅度大于10 nT 的南向IMF 有一一对应的关系[1], 强的IMF 将使磁层对流加强. 数值研究表明, 在强对流电场作用下, 仅需2~3小时带电粒子便可实现由磁尾到L ~3的注入过程; 而CRRES 卫星在环电流离子注入期间在2<L <4的区域观测到存在相应的对流电场z B [4]. 因此现在已经达成共识: 强的对流电场是带电粒子注入内磁层形成暴时环电流的主要因素[2].尽管强的对流电场可以将等离子体片中的离子加速并注入到内磁层, 但对这些离子如何形成环电流的过程至今尚不清楚. 在磁层环电流区域中运动的带电粒子, 其引导中心的漂移轨道有两种类型: 一是环绕地球的闭合型轨道; 另一种是在傍晚(早晨)一侧从近磁尾运动到磁层顶消失或沿磁力线进入电离层的开放型轨道. 对称环电流粒子是“捕获”粒子, 具有闭合轨道. 部分环电流粒子具有开放轨道. 开放型轨道和闭合型轨道分别位于分型线内外两侧(分型线常被称为“Alfven 层”). 开放轨道和闭合轨道不能穿越Alfven 层, 不能互相转化[5~7]. Dst 指数的数值主要反映的是对称环电流的强度. 在对流电场作用下从磁尾注入的粒子, 其漂移轨道是开放的, 不能形成对称环电流. 因此, 大和强磁暴主相期间L <4的对称环电流是如何增强的? 这仍然是一个没有解决的问题.为了克服上述困难, 一些学者假定, 将磁尾带电粒子注入内磁层的对流电场处于不断的剧烈起伏状态; 电场涨落引起粒子径向扩散, 使大量能量较高的非捕获离子越过分型线, 变成捕获离子, 增强对称环电流[4]. 为证实这一观点, Chen 等人[5,6]在越尾电位差ΦC 平均值为180 kV 的条件下对大磁暴进行了数值研究: (1)假设12小时内ΦC 始终存在周期为20 min 的涨落 (峰值高达300~400 kV); (2)假设涨落仅存在3小时, 其余6小时ΦC 保持不变. 实验表明, 绝大多数 603第49卷 第6期 2004年3月论 文604 10~70 keV 的离子沿开放轨道从磁尾注入到L =3, 能量大于150 keV 的离子可以通过径向扩散进入L =3的闭合轨道区. 在假设2情况下, 电场涨落对粒子轨道影响很小; 在假设1情况下, 环电流最终的总能量为假设2的两倍. 这一结果使不少科学家相信, 对流电场涨落在对称环电流的形成过程中起着重要的作用[2,5]. 对流电场涨落的这种效应无疑是存在的. 但是,CRRES 卫星在内磁层观测到的电场不具有Chen 等人假设的大幅度起伏的特征. 张继春等人[8]详细考察了大和强磁暴期间的行星际电场, 认为它们不可能在磁层内引起持续的大振幅涨落的越尾电位降. 因此我们认为, 除了对流电场的涨落以外, 可能还有其他因素可以有效地导致暴时对称环电流的形成与增强.等离子体在对流电场的作用下向地球方向漂移, 其中大部分电子在早晨侧面运动, 大部分离子在黄昏侧面运动. 正负电荷的分离可产生与晨昏对流电场反方向的“屏蔽电场”. 本文提出: 带电粒子在由磁尾向内磁层的注入过程中产生的这种屏蔽电场, 可导致一部分开放轨道转变成闭合轨道, 可能是对称环电流形成的一个重要机制.本文利用三维试验粒子轨道计算法TPTCs(test particle trajectory calculates), 考察大和强磁暴期间环电流离子的注入和对称环电流的形成过程. 氧离子(O +)是许多大和强磁暴环电流的主要成分[9~11], 本文以其为主要研究对象, 主要包括直接从电离层上行来的和从磁尾方向进入内磁层的两种来源. 同以往工作不同的是, 我们在观测与物理分析的基础上, 设计了一个近似的屏蔽电场; 并且考虑了粒子不同的赤道投掷角, 实现了粒子三维轨道的计算. 除再现了前人关于离子增能、注入时间等重要结果外, 本文揭示了暴时环电流离子注入过程的一些新特征, 特别是屏蔽电场对粒子注入轨道的影响, 论证了它确实可以对闭合环电流的形成起重要的作用, 是相关研究领域的一个新进展. 下文首先讨论屏蔽电场的形成、特征, 并分析它对离子注入轨道的影响, 其次介绍TPTCs 计算方法和本文采用的磁场、电场模型, 然后介绍计算结果, 最后进行简略的总结与讨论.1 屏蔽电场的形成与效应磁层带电粒子存在3种漂移运动: 梯度漂移v G =W ⊥B ×∇B/qB 3, 曲率漂移v C =2W //R ×B /qB 2R 2和电场漂移v E =E ×B /B , 其中W ⊥和W //为粒子垂直和平行于磁场方向的动能, q 为粒子电荷, ∇B 为磁场梯度, R 是磁力线的曲率半径, v G , v C 和v E 分别代表引导中心的梯度漂移速度、曲率漂移速度和电场漂移速度. 当粒子在西向对流电场E C 驱动下从磁尾向内磁层注入时, 离子和电子还分别向西和向东作梯度漂移与曲率漂移. 这样, 在接近内磁层时, 大部分电子在早晨侧面运动, 大部分离子在黄昏侧面运动. 这就产生了西向的“部分环电流”和电荷分离. 这种正负电荷分离的结果, 一方面会促进Ⅱ区场向电流的形成, 使一部分“部分环电流”与Ⅱ区场向电流构成闭合回路; 另一方面产生与晨昏对流电场反方向的“屏蔽电场”. 屏蔽电场导致在内磁层靠近地球的区域(L <5)晨昏电场削弱, 甚至在局部区域内趋进于零. 屏蔽电场是当粒子注入到内磁层以后出现的; 此后它通过与注入粒子和对流电场之间自恰的相互作用而与后两者共存; 其大小和分布随对流电场的起伏而变化. 如果对流电场能够在较长的一段时间持续存在, 屏蔽电场也可以持续维持. 屏蔽电场的概念最初是Schield 等人[12]于1969年首次提出的, 其后Wolf 等人[13]通过数值模拟试验进一步证明了在强的对流电场驱动粒子注入过程中, 内磁层确实存在屏蔽电场. 从Wolf [12]等人利用CRCM(comprehensive ring current model)数值模拟得出的内磁层对流电场等势图以及实际测量中可以知道, 磁层总电场等势线在下午和早晨侧分别呈现类似“V”和倒“V”的位形; 电场数值大体上随着距地球距离的增加而减小. 屏蔽电场的作用存在于离地心一定距离的范围内. 读者可从有关文献中了解内磁层屏蔽电场的详细特征.尽管一些学者意识到屏蔽电场可能是影响粒子注入的一个重要因素, 但迄今还没有人详细分析和研究过它的具体效应和在环电流形成过程中的作用. 在内磁层条件下磁场梯度漂移和曲率漂移导致粒子绕地球运动, 有利于形成闭合轨道; 粒子能量越高, 其效应越强. 开放轨道则起源于对流电场引起的电场漂移, E C 越大, 效应越显著. 设想在磁暴主相初期, 在强E C 作用下粒子由近磁尾沿开放轨道注入内磁层. 若不存在屏蔽电场, 注入粒子仍将不断沿开放轨道运动. 但是一旦屏蔽电场形成, 对流电场的驱动作用受到削弱, 磁场梯度漂移和曲率漂移作用增强, 这就可以使得原来(不存在屏蔽电场时)本是开放的轨道变成闭合轨道, 这对于能量较高的强能粒子特别有论 文第49卷 第6期 2004年3月效. 根据这一分析, 暴时环电流由部分环电流和对称环电流组成, 在主相初期, 前者首先增强, 后者随后而形成. 对称环电流的增长是伴随粒子注入的自然结果, 它应突出地发生在主相中、后期, 特别是部分环电流剧烈增加之后, 并且由较高能量的粒子组成.本文计算结果证实了上述物理分析, 显示屏蔽电场确实可在对称环电流的形成过程中起重要作用.2 三维TPTCs 与电磁场模型本文从带电粒子相对论形式的牛顿运动方程出发:d d ,d d q t t ⎛=×+×⎜⎝⎠p r ⎞⎟E B (1) 式中0d /d m γ=×p r t, 605γ 由此计算出的粒子轨迹比引导中心近似更接近真实, 并可清楚显示离子的回旋特性. 在某些条件下引导中心概念被破坏, 粒子的运动出现混沌现象. 此时方程(1)仍然有效. 计算中采用了太阳磁层坐标系(GSM), X 轴由地心指向太阳, Y 轴与X 轴和地球偶极磁轴垂直, Z=X ×Y . 2.1 磁场模型本文采用了Tsyganenko 等人[14]于1996年提出的磁场模型(以下简称T96). T96是根据大量的卫星测量数据得出的半经验模型, 它考虑了磁层顶位形、Ⅰ区和Ⅱ区电流系及IMF 对磁层的渗透等诸多因素, 输入参数为Dst 指数、太阳风动压强和IMF B Z . 为比较不同磁场模型给出结果的异同, 本文也采用了偶极磁场模型做了计算. 2.2 电场模型本文采用静态磁场模型, 仅考虑对流电场、旋转电场和屏蔽电场, 不考虑地磁场随时间变化形成的感应电场.(ⅰ) 对流电场E C . 在大磁暴期间, 对流电场有时甚至可以达到15 kV/R E . 由于实验数据的缺乏, 目前还没有系统的、全面的磁层对流电场模型. 本文采用了目前普遍应用的均匀电场模型(2) 0C E Y Φ=−和Volland 电场模型[15]230.045, ,(10.1590.0093)c P P Kry K K K φ=−=−+ (3)其中r=(X 2+Y 2)1/2. 为比较不同电场模型对计算结果的影响, 部分算例采用了HMR 电场模型[16]. HMR 电场是基于OGO 6 卫星和DE 2 卫星的电场探测数据构建的. 本文在计算中假设磁层中沿磁力线方向等离子体电导率充分大, 磁力线可以看成是等势线, 从而允许把电离层中的电场沿磁力线投影到赤道面, 或者把赤道面的电场沿磁力线投影到磁层高纬区域.(ⅱ) 旋转电场. 旋转电场是由于地球自转而引起的, 其电势可表达为30co E E R B rΦω=−[17].(ⅲ) 屏蔽电场. 在观测与物理分析的基础上, 本文设计了一个近似的屏蔽电场模型2(,)().s X Y A BX Φ=−+Y (4)假设赤道平面上沿日地联线方向屏蔽电场的作用范围为−8R E <X <8R E , 可得A =8 kV, B =0.13 kV. 图1分别给出了加入屏蔽电场之前和之后的磁层电场的电势等位线图. 此时的电场包括了旋转电场. (4)式给出的近似的屏蔽电场, 与Wolf 等人的数值模拟结果较为一致.应该强调指出的是, 对流电场、屏蔽电场、粒子注入和环电流演化是一个自洽的动态过程. 在磁场和电场为定常的条件下进行试验粒子轨道计算, 可以研究其中关键的物理因素, 但不能给出其完整过程. 本文采用了定常屏蔽电场(4), 目的不是要获得严格的定量结果, 而是从定性上揭示屏蔽电场在环电流形成过程中的重要作用.3 计算结果与讨论3.1 环电流离子的注入和增能为了了解环电流的形成和增强过程, 必须了解这些粒子的来源以及它们是如何注入到这一区域的. 本文着重探讨氧离子. 对于环电流氧离子的来源, 现在较为普遍的看法是, 在磁层亚暴时, 大量的电离层O +上行到远、中磁尾, 受到初步的增能加热, 然后被磁层对流带到近地等离子体片(X =−8~−15 R E . 磁暴期间, 在强的对流电场作用下, 被加速并注入到内磁层. 因此我们假设在t =0的时刻氧离子的初始位置为X =−8~−15R E 和Y =−2~−8 R E , 初始能量为E =5~20 keV. 图2(a), (b), (c)分别为在均匀对流电场、Volland电场和HMR 电场作用下, 初始位置为X =−8 R E , Y =−2 R E , Z =0, 赤道投掷角为70度, 能量为15 keV 的氧离子运动轨迹和相应漂移运动过程中能量随时间变化的关系, 其中均匀对流电场设定为E c =10 kV/R E . 磁第49卷 第6期 2004年3月论 文图1 磁层电场的电势的等位线上图: 无屏蔽电场; 下图: 加入屏蔽电场场选取的是Kp =5的T96磁场模型. 我们可以看到氧离子在3种不同电场作用下的漂移轨道都是开放的, 注入到环电流区域的平均时间为1~2小时. 在均匀电场作用下的注入时间更短, 约为几十分钟. 图3 中选取氧离子的初始位置为磁尾X =−12 R E , Y =−3 R E , Z = 0, 赤道投掷角为90度, 能量为10 keV. 图中给出了在与图2相同的磁场和电场模型下氧离子的运动轨迹和相应的能量随时间变化关系. 从图2和3中可以清楚的看出, 强的对流电场能很有效地在1~3小时之内(最段时间为甚至数十分钟)将带电粒子注入到环电流区域. 综合多个算例还可以进一步得出结论(因篇幅所限, 本文不一一列出计算结果): 对流电场越强、等离子体片内边界越靠近地球, 注入时间越短. 以上结果这与在大磁暴期间, 强的对流电场持续3小时以上的观测事实一致. 此外, 观测还表明, 有的强磁暴主相下降时间仅为数十分钟至1小时. 本文的结果也能对此给于解释. 3.2 粒子漂移的混沌轨道以往的工作中讨论的多是规则轨道, 然而在数值实验的过程中, 我们还发现, 在一定空间范围内存在无序、杂乱的轨道, 称之为混沌轨道. 氧离子和质子都可能在一定的条件下出现这样的轨道. 由于回旋半径大, 氧离子出现混沌现象的可能性要比质子大得多. Speiser [18]在1991年提出, 磁力线的曲率半径和粒子的回旋半径相当的时候, 粒子的轨道会出现混沌效应. 这是由于在真实的磁场情况下, 磁力线的曲率半径会出现极端的情况(曲率半径很小), 有可能产生这种混沌轨道. T96磁场模型是一种接近真实磁场的模型, 在使用T96模型的数值计算中, 出现了这种混沌轨道. 当粒子轨道变为混沌状态时, 粒子投掷角的变化是无序和不规则的. 图 4 给出了一个初始位置为X =−8 R E , Y =−2 R E , Z =0, 赤道投掷角为60度, 能量为20 keV, 使用了T96磁场模型后的氧离子运动轨迹. 由图4看出, 由于混沌效应导致的粒子投掷角不规则的改变可以使得沿着磁力线运动的氧离子运动到离地球很近的地方, 并有可能接近电离层附近. 混沌轨道也可能使得粒子从开放轨道的位置进入闭合轨道区域, 而这些粒子无法再返回开放轨道区域去. 这可能也是导致闭合环电流形成的一种因素.关于混沌轨道对环电流粒子的注入和增能机制的影响, 我们将在以后的文章里做进一步详细的讨论. 3.3 屏蔽电场的作用本文最主要的结果是揭示了屏蔽电场对环电流离子注入轨道的重要影响. 图5给出了在不考虑屏蔽电场和加入屏蔽电场以后, 初始位置为X =−8 R E , Y =−3 R E 和Z =0, 赤道投掷角为90度, 初始能量分别为15 keV 和5 keV 的氧离子运动注入轨道. 对流电场和磁场分别选用的是Volland 电场和偶极磁场模型. 在偶极磁场算例中, 初始赤道投掷角为90度的粒子, 其漂移轨道始终位于赤道平面内. 从图5中的上图可606 论文第49卷 第6期 2004年3月图2 初始位置为X =−8 R E , Y =−2 R E , Z =0, 赤道投掷角为70度, 能量为15 keV 的氧离子运动轨迹和相应的漂移运动过程中能量随时间变化的关系磁场为Kp =5的T96磁场模型图3 初始位置为X =−12 R E , Y =−3 R E , Z =0, 赤道投掷角为90度, 能量为10 keV 的氧离子运动轨迹和相应的漂移运动过程中能量随时间变化的关系磁场为Kp =5的T96磁场模型以很清楚地看出, 15 keV 的氧离子加入屏蔽电场后, 其原本开放的漂移轨道, 在内磁层区域内转变为闭合的轨道. 而5 keV 的氧离子原本开放的运动轨道未能变为闭合轨道. 这说明了粒子的初始能量越高, 越容易形成闭合轨道. 对于在T96磁场背景下非90度初始赤道投掷角的氧离子注入轨道, 屏蔽电场也体现了同样的作用. 图6给出了初始位置为X =−8 R E ,Y =−2 R E , Z =0, 赤道投掷角为70度, 初始能量为15 keV 的氧离子的注入过程, 磁场为Kp =5的T96磁场模型. 图6(a), (b)分别选用了Vollad 电场和加入屏蔽电场效应的Volland 电场. 我们可以从氧离子的三维运动轨迹图中更加清楚的看出屏蔽电场对于离子注入轨道的影响: 在不考虑屏蔽电场效应时, 氧离子的轨道是开放的; 但当加入屏蔽电场后注入轨迹逐步 607第49卷 第6期 2004年3月论 文图4 T96磁场模型下氧离子的混沌轨道闭合. 在图5和6所示算例中, 除磁场条件不同之外, 边界条件和初始条件均无特殊之处. 大量的算例具有相同的特征. 大量算例中的另一个结果是加入屏蔽电场后粒子由开始注入到沿闭合轨道运动一周的时间为1~2小时, 这与磁暴Dst 指数下降到极小值的时间为1至数小时的时间要求一致. 由于篇幅所限, 这里不再给出更多的其他算例和图表. 上述结果证实了本文对环电流形成过程的论点.3.4 与观测实例的比较上文在观测与物理分析的基础上, 设计了一个近似的屏蔽电场模型. TPTCs 的计算结果表明屏蔽电场对粒子注入轨道有很大的影响, 它可以使得原本开放的漂移轨道变为闭合的轨道, 这表明它确实可以对闭合环电流的形成起重要的作用. 为了检验这一结果, 我们利用了Dst 指数、对称环电流指数(SYM-H)和非对称环电流指数(ASYM-H), 分析了2000年3月31日的大磁暴. 图7给出了该磁暴期间 Dst, SYM-H 和ASYM-H 随时间的变化. 从图中看出, 在磁暴主相早期, ASYM-H 指数最先增加, 此时Dst 和SYM-H 指数没有很明显的减小. 对Dst 和SYM-H 指数做贡献的, 主要是闭合环电流强度. 在ASYM-H 指数增加一段时间后, SYM-H 和Dst 指数开始减小, 磁暴主相得到发展, 并在ASYM-H指数下降期间和主相后期两者达到最小. 这可以解释为: 对流电场持续增加一段时间之后, 产生了显著的屏蔽电场, 使得一部分沿开放轨道运动的粒子, 改变轨道形态, 变成了闭合环电流成分.图5 初始位置为X =−8 R E , Y =−3 R E , Z =0, 赤道投掷角为90度, 能量为15 keV 和5 keV 的氧离子在加入屏蔽电场前后运动轨迹(a)和(b) E 0=15 keV, (c)和(d) E 0=5 keV608 论文第49卷第6期 2004年3月图6 初始位置为X=−8 R E, Y=−2 R E, Z=0, 赤道投掷角为70度, 能量为20 keV的氧离子的运动轨迹磁场为Kp=5的T96磁场模型. 电场模型: (a)Volland电场; (b)有屏蔽电场效应的Volland电场图7 2001年3月31日磁暴期间Dst, SYM-H和ASYM-H三个指数之间的变化关系609第49卷 第6期 2004年3月论 文610 4 结论本文利用三维试验粒子轨道计算法TPTCs 研究了大和强磁暴期间环电流离子的注入和对称环电流的形成过程. 我们实现了不同的赤道投掷角的环电流离子的三维轨道计算, 更加真实地反映了环电流离子的注入过程. TPTCs 的计算结果表明在强的磁层对流电场可以使得中低磁尾的带电粒子在向地球漂移的过程中得到有效的加速, 加速时间约为1~3小时.对于闭合环电流形成的机制, 目前有不同的解释. 对流电场的涨落在对称环电流的形成过程中起到的作用无疑是存在的. 但我们的研究发现, 并非任何磁暴期间都对流电场会存在剧烈的起伏, 这就说明对流电场的涨落并不是闭合环电流形成的惟一机制. 通过数值计算以及与观测的比较都很好证明了本文提出的屏蔽电场机制有可能是闭合环电流形成的一个重要机制. 这一机制与对流电场涨落的机制并不矛盾, 它可能是暴时环电流形成的一个更为本质的因素.我们目前给出的屏蔽电场是一个非常近似的且不随时间变化的定常态的电场, 因此不能完全真实的反映实际存在的屏蔽电场. 我们将在今后的工作中, 进一步研究屏蔽电场的特性, 给出接近真实的屏蔽电场. 我们还会进一步讨论混沌轨道对于环电流粒子注入的影响.致谢 本工作受教育部博士点基金、国家自然科学基金委员会高科技预研项目(49984002)和交叉重大项目“地球空间暴多时空尺度物理过程研究”(40390150)及国家重点基础研究发展规划项目(G200000784)资助.参 考 文 献1 Gonzalez W D, Joselyn J A, kamide Y, et al. What is a geomag-netic storm? J Geophys Res, 1994, 99: 5771~5782 [DOI]2 Tsurutani B T, Gonzalez W D. The interplanetary causes of mag-netic storms: A review. In: Tsurutani B T, Gonzalez W D, eds. Magnetic Storm. Geophys Monogr, Ser 98. Washington: AGU, 1997. 77~89 3Kamide Y, McPherron R L, Gonzalez W D, et al. Magnetic storms: Current understanding and outatanding questions. In: Tsurutani B T, Gonzalez W D, eds. Magnetic Storm. Geophys Monogr, Ser 98. Washington: AGU, 1997. 1~194 Rowland D E, Wygant J R. The dependence of the inner- magne-tospheric electric field on geomagnetic activity. J Geophys Res, 1998(103): 14959~14964 5Chen M W, Schulz M, Lyons L R. Simulations of phase space dis-tributions of storm time proton ring current. J Geophys Res, 1994(99): 5745~5759 6Chen M W, Schulz M, Lyons L R. Modeling of ring current forma-tion and decay: A review. In: Tsurutani B T, Gonzalez W D, eds. Magnetic Storm. Geophys Monogr, Ser 98. Washington: AGU, 1997. 173~186 7Xie L, Pu Z Y, Fu S Y. Eenrgization and injection of intense storm ring current ions. In: Wang H N, Xu R L, eds. Solar-Terrestrial Magnetic Activity and Space Environment. COSPAR Colloquium, Ser 14. Pergamon, 2002. 271 8张继春, 田剑华, 濮祖荫. 行星际电场与Dst 指数, 空间科学学报, 2001, 21(4): 297~3049 Daglis I A. The role of magnetosphere-ionosphere coupling inmagnetic storm dynamics. In: Tsurutani B T, Gonzalez W D, eds. Magnetic Storm. Geophys Monogr, Ser 98. Washington: AGU, 1997. 107~116 10付绥燕, 濮祖荫, 宗秋刚, 等. 大磁暴环电流离子成分的变化及其与磁暴演化的关系. 地球物理学报, 2001, 44: 1~6 11Fu S Y, Zong Q G, Wilken B, et al. Temporal and spatial variation of the ion composition in the ring current. In: de Jager C, Akasofu S, eds. Challenge to Long-standing Unsolved Space Physics Prob-lems in the 20th Century. Space Sci Rev, 2001, 95(Special Issue): 539~554 12Schield M A, Freeman T W, Dessler A J. A source for field-aligned current at auroral latitudes. J Geophys Res, 1969, (74): 247~255 13 Wolf R A, Harel M, Spiro R W, et al. Computer simulation of in-ner magnetospheric dynamics for the magnetic Storm of July 29, 1977. J Geophys Res, 1982(87): 5949~5961 14Tsyganenko N A, Stern D P. Modeling the global magnetic field of the large-scale Birkeland current systems. J Geophys Res, 1996, 101: 27187~27198 [DOI]15 Volland H A. Model of the magnetospheric electric convectionfield. J Geophys Res, 1978(83): 2695~270616 Heppner J P, Maynard N C. Empirical high-latitude electric fieldmodels. J Geophys Res, 1987(92): 4467~4489 17Yokoyama N, Kamide Y. Statistical nature of geomagnetic storms. J Geophys Res, 1997(102): 14215~1422218 Speiser T W. Particle motion in the tail current sheet. Adv SpaceRes, 1991(11): 151~159(2003-09-25收稿, 2004-01-16收修改稿)。
北京大学空间物理与应用技术研究所
空间物理学是人类进入太空时代以来迅速发展起来的新兴学科。
它主要研究太阳系特别是日地空间中的物理现象与规律，研究空间环境及其对人大空间活动和生态环境的影响。
空间物理学主要包括太阳大气物理学，日球层（即行星际）物理学、磁层物理学、电离层物理学及电波传播及应用、高层人气（热层和中层）物理学、空间探测实验与技术。
空间环境学，空间等离子体物理学及日地关系学等分支，是一门应用性强的交叉性的基础学科。
当前，人类已进入开发太空资源，开创空间产业的新时期，空间通讯和导航已广泛应用。
空间对地观测正在迅速发展。
空间材料和制药工程已开始诞生，空间发电系统也将运行。
月球基地和行星开发将在下一世纪上半叶出现。
我国是一个空间技术大国，空间应用的一些领域已进入实用阶段。
人类的航天活动必须以对太空环境的认识为基础。
目前日地系统整体过程的研究和地球空间环境预报已在全球范围内广泛开展。
21世纪将是空间技术和科学蓬勃发展的新世纪，空间物理学人才大有作为。
北京大学空间物理与应用技术研究所2002年刚刚成立，其前身是成立于1960年的空间物理学专业。
四十年来已培养出一大批日地空间物理、空间环境和空间应用等领域内的杰出的科学家和工程技术人才，其中有中国科学院、国防科工委、航天部门和高等院校等诸多系统的各级领导、技术骨干，有国际影响的空间物理学家和空间环境专家等，有的还被评选中国科学院院士；他们为发展我国的空间科学事业做出了巨大的贡献。
本研究所是国家空间物理学博士点和硕士点，现有中国科学院院士1人，教授7人（其中博士生导师3名），副教授、高级工程师和高级实验师4人，博士后1人。
此外还有博士研究生和硕士研究生近20人。
本专业教师知识面广，教学水平高，科研成果出色。
先后承担了22项国家自然科学基金项目和国家基金委“日地系统能量传输研究”重大项目两项课题及“863”高科技项目，还参与了国家科委攀登计划。
多次获得国内外重大科学奖励，（仅2001年就获得两项国家自然科学二等奖，且均为第一获奖人），有的被选为中国科学院院士、有的被选为国际宇航科学院院士、有的被聘为欧空局卫星星座计划国际合作科学家。
在实验条件方面，本专业现已建成“电离层和电波传播实验室”，“等离子体探测实验室”和“高层大气探测实验室”。
本专业教师利用这些实验条件承担过航天部的“无线与等离子体相互作用”，“返回卫星等离子体鞘套”及中美合作科学卫星项目等研究工作，还承担了航天部关于卫星表面电位和星内粒子辐射方面的重要任务。
此外，本专业还进行“电离层多普勒效应”和“宇宙噪声”的日常观测，具有电离层垂直和斜向探测的能力。
并已开始向美国地球物理中心交换观测资料。
本专业同国际一些知名的空间物理研究单位，如美国加州大学洛杉矶分校地球与行星物理研究所、德国马克斯普朗克高空物理研究所等，以及国内空间和科学研
究与应用中心、航天总公司空间环境研究部门，建立和保持良好的合作关系。
本专业注重培养具有坚实的数理基础和熟练的基础实验技能，掌握近代物理和空间物理基础知识，具备电子学和空间探测实验基本技能，熟悉计算机应用，能够在空间物理、空间探测、空间环境以及其它相邻学科领域从事科研、教学、技术和管理工作的人才。
因而本专业毕业生有良好的科研素质和开拓新领域的实际工作能力，深受用人单位和国外一些大学的欢迎和称赞。
