磁层的活动主要是由外部驱动源――太阳风和行星际磁场(IMF)控制的,太阳风能量主要通过磁重联和似粘性作用传输进入磁层并引起磁层的剧烈扰动,如磁暴、亚暴等,太阳风-磁层系统的能量耦合一直是空间物理领域的研究前沿和重要课题之一。为了更为深入地理解太阳风-磁层系统能量耦合过程,本文利用三维全球磁层模型开展太阳风能量进入地球空间的数值模拟研究,了解不同太阳风条件对太阳风-磁层能量耦合函数的控制作用。1.太阳阳风-磁磁层能量耦合函数在全球尺度上利用观测手段定量估算太阳风能量输入磁层一直是很大的挑战。在本项工作中我们利用全球MHD模型模拟了240个不同太阳风条件的准稳态算例和37个IMF时钟角变化其他太阳风条件不变的准稳态算例,并在量纲分析的基础上拟合得到了一个新的太阳风能量耦合函数Ein=3.78×107n0.24V1.47B0.86T[sin2.70(θ/2)+0.25][W]。能量耦合函数包括两部分:一部分为受IMF时钟角控制的sin的幂函数,代表涉及日侧磁重联的电磁能输入;另一部分为不依赖于IMF时钟角的常数部分,为其他过程引起的能量输入,例如高纬磁场重联、似粘性作用等。当IMF为准南向时能量输入主要来自电磁能耦合,当IMF为准北向时机械能占主要部分。此外太阳风能量输入对太阳风速度和IMF时钟角的变化更敏感。我们还分析了能量耦合函数与多个磁层活动性指数的相关性,结果表明我们拟合得到的能量耦合函数的表现要优于ε函数。同时我们也将新能量耦合函数应用到了一个北向IMF期间发生的磁暴事件中,结果显示在磁暴期间新能量耦合函数相比于ε函数能为磁层提供充足的能量输入。另外的分析结果表明,准稳态算例的能量输入效率和电离层能量耦合效率分别为13%和35%。2.IMF时时钟角对能量输入过程调制作用的不变性为了验证我们的拟合过程的合理性,我们模拟了七组时钟角变化范围相同而太阳风条件不同的算例来考察太阳风参数(速度、密度)和磁场参数(IMF强度)对能量输入过程随IMF时钟角变化模式G(θ)的影响。模拟结果表明不管太阳风条件和IMF强度如何变化,能量输入随IMF时钟角的变化的模式没有显著变化。这是因为太阳风能量输入过程主要发生在日侧磁层顶和近磁尾区,而这两个区域磁层顶的位型受太阳风参数和IMF强度的影响很小,所以两个区域的磁层顶位型不变也就决定了能量输入随IMF时钟角变化的模式不变。3.超级级磁暴时磁层的能量学特征除了准稳态算例,我们还模拟研究一个磁云引起的超级磁暴事件,并对其能量收支进行了分析研究,发现事件期间,大约有23%的太阳风动能输入磁层,输入的总能量约为9.50×1017J,约为中等磁暴能量输入的14倍,强磁暴和超级磁暴的输入效率(IE)分别为(13.2%,9.0%,12.4%)和(34.3%,14.7%,23.3%),括号中分别对应磁暴的主相、恢复相和整个磁暴期间的结果。区别于前人的统计结果是用经验性的ε函数计算能量输入的,我们的工作是基于MHD模拟完成的,而计算结果表明ε函数总是低估或高估能量输入,而且也没有考虑太阳风数密度在能量输入过程中的重要作用。而我们的工作表明MHD模拟计算的能量输入与磁层活动性指数有更高的相关性,对能量输入的计算也充分考虑了太阳风数密度的影响,而且可以在全球尺度上研究能量输入和耗散,所以利用MHD计算的能量输入更具合理性,可以充分发挥出MHD模型的优势。另外我们还分析了磁暴期间环电流和极区电离层的能量耗散的耦合效率CE,强磁暴期间分别为3.1%和23.6%,超级磁暴期间分别为40.2%和23.1%。MHD模拟结果表明环电流在总能量耗散中所占的比例随着磁层活动水平的增强而升高,而且超级磁暴期间环电流的能量耗散大约为极区电离层能量耗散的两倍,输入磁层的太阳风能量约有63.3%通过环电流和极区电离层耗散,那么另外36.7%的能量可能通过磁尾的其他渠道耗散,例如等离子体片加热和等离子体团注入。