亚暴起始与等离子体片内边界研究

论文摘要

磁层亚暴是磁层中巨大能量的释放过程,包括电离层亚暴、极光亚暴、磁亚暴和热层亚暴,可引起整个磁层和电离层的剧烈扰动。磁层亚暴约每天发生3-4次,每个磁层亚暴释放的能量相当于一个中等地震的能量。等离子体片位于磁尾中心区域,是磁尾热等离子体的主要储存区,其中的离子向内磁层的渗透在亚暴和磁暴过程中都起到了重要作用。本论文工作由亚暴起始和等离子体片内边界研究两部分组成:论文工作首先对亚暴起始进行了系统研究。利用2004年地磁西向电急流AL指数,亚暴电急流AE指数和场向电流AF指数来确定亚暴起始,并与2004年亚暴极光起始做了对比。研究发现,如果以极光亚暴起始为时间零点,则平均西向电急流AL起始,电急流AE起始和场向电流AF起始分别是0.5,0.5和-0.1分钟。最可几西向电急流AL起始与极光起始同时,但最可几的电急流AE起始和场向电流AF起始提前极光起始1分钟。这些地面磁场指数确定的亚暴起始的分布,随着亚暴强度的增大（即最小AL指数减少,最大AE指数增大,最大AF指数增大）而向极光亚暴起始靠近。对于5个超级亚暴来说,其西向电急流AL起始和电急流AE起始都发生在极光起始之前。这些结果说明对于大亚暴,电急流的增加要早于极光爆发。以往对于等离子体离子向内磁层的渗透都是通过固定磁矩的磁层粒子漂移轨道理论来进行的。本文将过去的（U,B）空间中固定磁矩的磁层离子漂移轨道理论扩展为固定能量的磁层粒子漂移轨道理论,并讨论了等离子体片离子在向地球输运过程中,不同能量的离子开放轨道和封闭轨道的分界线的特性,及其随Kp指数的变化。在高能端,随着能量的升高,等离子体片离子分界线地心距离逐渐增大,且分界线的晨侧地心距离远远大于昏侧的地心距离。在低能端,随着离子能量的降低,离子分界线地心距离逐渐增大,且其分界线的昏侧地心距离要大于晨侧的地心距离。模拟结果还显示随着Kp指数的增强,等离子体片中不同能量的离子分界线都向地球移动。但在低能端和高能端,离子分界线的行为是不一样的。在低能端,随着Kp指数的增大,离子内边界形状基本保持不变。但在高能端,随着Kp指数的增大,离子内边界形状也将发生变化。在E=20keV,Kp=6和E=10keV,Kp=3两种情况,离子分界线甚至出现了两个分离的区域,一个是环绕地球的封闭轨道区域,一个是晨侧孤立的锥型区域。等离子体片能量为E的离子的内边界就是具有不同磁矩的Alfven层上能量为E的点的连线。随后,以磁层粒子动力学理论为基础,本文采用单粒子轨道漂移方法重新模拟了等离子体内边界随Kp指数的响应情况。对于固定的Kp值,本方法得出的模拟结果与前述的（U,B）空间转换方法得出的结果一致,但本方法的优点在于可以描述等离子体片内边界随Kp指数的动态变化情况。真实的Kp指数是处在不停的变化之中的,只有动态地描述出了等离子体片内边界随Kp指数的整个响应过程,模拟结果才能更好地同卫星观测数据进行对比。最后,作为对模拟结果的观测证实,本文利用TC-1卫星热粒子分析仪2004-2005年的数据统计研究了等离子体片内边界与地磁活动的关系。发现当地磁活动较强（AE、Kp指数较大）时,边界点基本都在更靠近地球的位置,而地磁活动较弱（AE、Kp指数较小）时,等离子体片内边界的地心距离也随之增大,且边界点大多位于5-7 RE的范围内,这与此前的模拟结果基本上是一致的。同时还发现,亚暴的不同相位对边界点的分布也有一定的影响。处于地磁平静或亚暴增长相期间的边界点大多位于地心距离较大的位置,而边界点中地心距离较小的点所对应的大多是亚暴膨胀相或恢复相。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 引言
• 1.1 地球磁层
• 1.1.1 磁层概述
• 1.1.2 磁层结构
• 1.2 磁层亚暴
• 1.2.1 亚暴定义
• 1.2.2 亚暴过程
• 1.2.3 亚暴经典模型
• 1.3 等离子体片内边界
• 1.3.1 等离子体片内边界研究进展
• 1.3.2 本文的意义
• 1.4 本文的章节安排
• 第二章 数据来源
• 2.1 双星探测计划（Double Star Program）
• 2.1.1 项目简介
• 2.1.2 有效载荷
• 2.2 地磁指数
• 2.3 场向电流（FAC）指数（AF）
• 2.3.1 场向电流影响地磁Y 分量原理
• 2.3.2 模拟与观测结果对场向电流及AF 指数的支持
• 第三章 亚暴起始研究
• 3.1 引言
• 3.2 确定亚暴起始的标准
• 3.3 事例分析
• 3.4 统计研究
• 3.4.1 亚暴起始AL 指数统计结果
• 3.4.2 亚暴起始AE 指数统计结果
• 3.4.3 亚暴起始AF 指数统计结果
• 3.5 小结
• 第四章 （U,B）空间等离子体片内边界研究
• 4.1 引言
• 4.2 物理模型
• 4.3 计算方法
• 4.4 模拟结果
• 4.5 等离子体片粒子内边界与Alfven 层的关系
• 4.6 小结
• 第五章 磁层粒子动力学研究等离子体片内边界
• 5.1 引言
• 5.2 理论基础
• 5.2.1 磁层粒子动力学理论基础
• 5.2.2 电磁场模型
• 5.2.3 粒子运动公式
• 5.2.4 等离子体片固定能量内边界构建方法
• 5.3 模拟结果
• 5.4 （U,B）空间方法与单粒子动力论比较
• 5.4.1 计算速度
• 5.4.2 计算精度
• 5.4.3 适用范围
• 5.5 小结
• 第六章 等离子体片内边界卫星观测结果研究
• 6.1 等离子体片内边界判断标准
• 1keV 电子通量截止'>6.1.1¹keV 电子通量截止
• 6.1.2 离子温度、Beta 值判断等离子体片内边界
• 6.2 TC-1 卫星HIA 仪器观测结果
• 6.2.1 选用T=1keV 的标准
• 6.2.2 选用T=2keV 的标准
• 6.2.3 选取不同标准的物理意义
• 6.3 小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 已发表文章
• 致谢