磁尾等离子体团的观测研究

论文摘要

等离子体团是行星际和地球磁层中一种常见并十分重要的物理现象。等离子体团的形成与宇宙等离子体的爆发性过程有紧密联系。在行星际空间中等离子体团表现为行星际磁云,在磁层中表现为磁层顶和磁尾的磁通量绳和磁岛。磁层物理中一个重要的方面是研究磁尾重联,亚暴动力学以及与此相联系而产生的各种等离子体结构——磁岛,磁通量绳等等。卫星在磁尾观测的磁岛和磁通量绳信号近似,即先南后北或者先北后南的磁场信号,磁岛和磁通量绳的区别在于在磁通量绳内部有明显的强核心场的存在,而在磁岛中心磁场强度几乎为零。过去的研究表明,等离子体团存在于由近磁尾到远磁尾的广阔范围内,但研究重点集中于中远磁尾等离子体团。近来随着近地空间探测卫星如ClusterⅡ,双星计划的发射,近磁尾的等离子体团研究逐渐引起人们的重视,本文就是利用双星计划和ClusterⅡ的数据对近地磁尾等离子体团的观测特征,内部磁场和粒子结构,产生机制,及其对应的行星际磁场条件,与磁层亚暴的关系进行了研究,主要研究工作和结果在以下三方面:1分析了2004年7月至9月双星计划TC-1卫星在磁尾的磁场数据,发现近地磁尾存在等离子体团（plasmoid）,首次给出了TC-1对近地（ X >-13Re处）等离子体团的观测结果。根据等离子体团内磁场结构的不同,我们分析两个事件:9月14日磁环（magnetic loop ）型的等离子体团具有闭合磁力线结构,8月6日磁通量绳（magnetic flux rope）型的等离子体团具有开放磁力线结构。两个事件与背景流场相比都具有高速地向速度。粒子可以沿着开放的磁力线从磁通量绳逃逸出来,而磁环由于其闭合磁力线结构可以束缚住粒子。TC-1对磁尾地向等离子体团的观测为多X线重联在磁尾的发生提供了证据并表明重联地点应该位于X <-10Re的磁层尾部区域。2我们利用Grad-Shafranov方法研究了近地磁尾X=-14.75Re处的地向运动磁通量绳的内部磁场结构。磁通量绳的不变轴位于晨昏方向,垂直于不变轴的横截面上磁场分布被重构出来,沿着不变轴方向有强核心场存在。对应于这一事件的AE指数表明通量绳被观测到前后没有磁层亚暴发生。最近的一些研究表明等离子体片中的磁通量绳形成可以用多X线重联来解释。我们的计算结果显示横截面上磁场分布为非轴对称圆环结构,这一分布结构确实需要由多X线重联来产生。所以我们的结果为磁尾多X线重联的发生提供了进一步的证据。3收集了Cluster卫星2001年—2005年间观测到的磁尾磁通量绳事件,并对磁通量绳（magnetic flux rope）形成及其内部磁场结构与行星际磁场（IMF）的关系作了统计研究。考虑磁通量绳被观测到时行星际磁场条件,在所有73个通量绳事件中,IMF By分量在IMF中占有主导地位的事件有80%,78%的事件具有与IMF By相同方向的核心场。IMF通过在磁层顶与地球磁场相互作用改变南北等离子体片内磁场相对方向,形成有利于磁通量绳形成的磁场位形,并且IMF By的方向对通量绳内部核心场的方向具有决定性影响。从统计结果来看,磁通量绳的形成并不会依赖于IMF Bz分量的方向。论文具体安排如下:第一章对地球磁层及其结构做了简要介绍,由于本文研究内容与磁层亚暴和多X线重联有密切关系,在第二章,第三章对亚暴和多X线重联进行简要介绍,第四章对磁尾等离子团的研究做了回顾和总结,第五、六、七章详细介绍作者自己的工作,第八章是对所做工作的总结和对未来工作的展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 地球磁层
• 1.1 太阳风
• 1.2 地球磁场
• 1.3 地球磁层及其结构
• 1.3.1 弓激波和磁鞘
• 1.3.2 磁层顶
• 1.3.2.1 低纬边界层
• 1.3.2.2 进入层
• 1.3.2.3 极尖区
• 1.3.2.4 等离子体幔
• 1.3.3 等离子体层，辐射带和环电流
• 1.3.4 磁尾（尾瓣和等离子体片）
• 第二章 磁层亚暴
• 2.1 磁层亚暴及发展过程
• 2.2 磁层亚暴膨胀相的“经典”模型
• 2.2.1 近地中性线模型
• 2.2.2 磁层—电离层耦合模型
• 2.2.3 近地电流崩塌模型
• 第三章 多重X 线重联理论
• 3.1 磁场重联的基本过程
• 3.2 多重X 线重联
• 第四章 磁尾等离子体团
• 4.1 磁尾磁岛的研究回顾
• 4.1.1 简介
• 4.1.2 磁岛的形成
• 4.1.3 磁岛的观测特征
• 4.1.4 磁岛与亚暴关系
• 4.1.5 近地磁岛的观测
• 4.1.6 小结
• 4.2 磁尾磁通量绳研究回顾
• 4.2.1 远磁尾磁通量绳的形成
• 4.2.2 磁绳的观测特征
• 4.2.3 磁通量绳模型
• 4.2.3.1 磁场的平衡态
• 4.2.3.2 磁绳结构—线性无力场模型
• 4.2.4 近地磁通量绳的观测
• 4.2.4.1 近地磁通量绳的形成过程
• 4.2.4.2 近地通量绳事件在磁尾的分布
• 4.2.4.3 磁通量绳内的电流
• 4.2.5 小结
• 第五章 双星计划 TC-1号卫星对近地磁尾等离子体团的观测
• 5.1 等离子体团事件选取标准
• 5.2 观测结果
• 5.3 分析与讨论
• 5.3.1 2004年八月六日磁通量绳事件
• 5.3.2 2004年九月十四日磁环事件
• 5.4 结论
• 第六章 近地磁尾地向运动磁通量绳的内部磁场结构Cluster 观测结果
• 6.1 Grad－Shafranov重构方法
• 6.2 2003年10月11日事件的观测结果
• 6.3 重构结果与讨论
• 6.4 结论
• 第七章 行星际磁场与磁通量绳的关系
• 7.1 观测
• 7.2 个例分析
• 7.3 统计分析
• 7.3.1 观测到通量绳时IMF By与IMF Bz的比较
• 7.3.2 观测到通量绳时IMF By与通量绳内部核心场By的比较
• 7.3.3 IMF Bz对磁通量绳产生的影响
• 7.3.4 磁通量绳和亚暴的关系
• 7.4 结论
• 第八章 总结与展望
• 8.1 总结
• 8.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士期间发表文章目录
• 致谢