行星际磁场Bx对磁层顶和弓激波位型的影响及其机制研究

The shapes and sizes of the Earth’s magnetopause and bow shock are very important parameters in the space physics. Generally, the upstream solar wind parameters controlling these two interfaces are the solar wind dynamic pressure (Pd), as well as the orientation and the intensity of the interplanetary magnetic field (IMF). At the early time of studying the influences of the IMF on these two interfaces, the scientists mainly considered the north-south component of the IMF (Bz), while ignored the influences of the radial component (Bx). Using the data from global MHD simulation and observation, we plan to establish a system which can automatic identify the locations of the magnetopause and the bow shock from the MHD data. Then, we will find a suitable three-dimensional asymmetric expression to fit the shapes and sizes of the magnetopause and the bow shock, respectively. After that, we will study the influences of Bx on the shapes and sizes of these interfaces under different solar wind conditions. After identifying the location and scale of the magnetic reconnection on the magnetopause under Bx condition, we will try to explain this magnetic reconnection influence on the pressure balance at the magnetopause, as well as its effect on the influence of Bx on the shapes and sizes of the magnetopause and the bow shock. Meantime, we will also examine the results from the simulation by employing the observation data. We hope that this project will help the future magnetopause and bow shock models to include the Bx parameter influences.

地球磁层顶和弓激波是空间物理中非常重要的两个界面。研究表明，控制这两个界面位型的上游太阳风参数主要包括太阳风动压以及行星际磁场的大小和方向。在早期研究行星际磁场对这两个界面位型的影响时，主要只考虑了行星际磁场的南北方向分量Bz，忽略了行星际磁场径向分量Bx的影响。本项目拟使用全球磁流体模拟以及相应的观测数据，建立一套在模拟数据中自动识别磁层顶和弓激波位置的系统，寻找三维非对称表达式来分别拟合磁层顶和弓激波位型，研究不同太阳风条件时Bx对磁层顶和弓激波位型的具体影响，确定Bx占主导时磁重联在磁层顶的位置和尺度，讨论其对磁层顶压力平衡的影响，以及磁重联在Bx对地球磁层顶和弓激波位型影响中的作用；最后，再通过磁层顶和弓激波穿越点的观测数据来检验由物理模型数值模拟得到的结果。本项目旨在解决Bx如何影响磁层顶压力平衡的科学问题，为今后建立更广泛太阳风条件的包含Bx影响的磁层顶和弓激波模型提供依据。

地球磁层顶和弓激波是空间物理中非常重要的两个界面。研究表明，控制这两个界面位型的上游太阳风参数主要包括太阳风动压以及行星际磁场的大小和方向。在早期研究行星际磁场对这两个界面位型的影响时，主要只考虑了行星际磁场的南北方向分量Bz，忽略了行星际磁场Bx分量和By分量的影响。使用全球磁流体模拟（MHD）、多卫星观测数据以及相应的经验模型，（1）本报告研究了行星际磁场时钟角对弓激波尾部横截面位置的影响。结果显示弓激波尾部横截面是近似椭圆形状，并且椭圆的主轴垂直于行星际磁场方向。随着IMF时钟角的增加，北向IMF时弓激波尾部横截面椭圆的离心率（拉伸程度）增加；而南向IMF时随之减少；（2）研究了观测下IMF By分量对弓激波位置和形状的影响。本研究发现至少在日侧弓激波位置受东向By的影响要大于南北方向Bz。本研究认为这个现象是由于Bz对磁层顶位置和形状的影响抵消了其对日侧弓激波相应的影响（尤其是南向Bz时）。而在弓激波尾部，本研究发现弓激波横截面在接近垂直于IMF的方向上拉伸，这个结论本研究之前的模拟结果一致；（3）研究了数值模拟下IMF By对弓激波位型的影响。结果显示：随着By绝对值的增大，弓激波的日下点距离、旋转对称张角、南北非对称性以及旋转非对称性均随之增加。其中，By对弓激波日下点距离的影响可达5 RE左右。东向By和西向By对弓激波位型影响具有对称性。此外，弓激波尾部横截面的拉伸现象与磁声波马赫数密切相关；（4）研究了径向行星际磁场对弓激波位型的影响。观测统计结果显示，弓激波日下点距离随着行星际磁场锥角从90°到0°和180°减小了2 RE左右，而尾部张角随之增大。数值模拟结果初步显示，径向行星际磁场主要影响弓激波尾部的南北非对称性。当Bx·Bz>0 (Bx·Bz<0)时随着径向行星际磁场的增大弓激波尾部横截面向北半球(南半球)膨胀。相关研究成果为建立包含径向行星际磁场等参数的磁层顶和弓激波模型提供科学依据，有助于了解太阳风和磁层相互作用的基本规律。