论文题目: 上行离子流对亚暴膨胀相起始的触发作用——近地磁尾动力学过程的三维MHD模拟
论文类型: 博士论文
论文专业: 空间物理学磁层物理
作者: 张灵倩
导师: 刘振兴
关键词: 上行离子流,模拟,亚暴膨胀相起始,场向电流,磁重联
文献来源: 中国科学院研究生院（空间科学与应用研究中心）
发表年度: 2005
论文摘要: 磁层亚暴则是地球空间最重要的能量输入、耦合和耗散过程。磁层动力学最为重要的研究任务就是对磁层亚暴的理解。亚暴膨胀相是亚暴最为活跃的部分。膨胀相的触发机制现在还不明确。这是空间物理领域最为核心和前沿的问题之一。上行离子作为磁层-电离层耦合的重要方式,不仅对磁层的粒子成分有着重要的影响,同时上行离子对磁尾动力学过程有重要的影响。我们知道电离层是磁层H+和O+的重要源区,高纬电离层为磁层提供高通量的低能（热）等离子体,总的质量可以达到1kg/ s-1。这样高通量的上行离子对磁层的离子成分和动力学的影响迄今仍是一个疑问。上行离子流（ions upflow）同时对亚暴过程也有着重要的影响,它有可能是膨胀相起始（substorm onset）的触发机制。对这个问题的研究无疑是具有重要意义的。我们利用三维MHD 方法首次对上行离子流触发的亚暴膨胀相起始过程进行了研究。主要的模拟工作包括下面几个部分: （1）磁静时起源于夜侧电离层极光椭圆带源区的上行离子对磁尾等离子体片动力学过程的影响; （2）在同样的磁场位型下,对流电场对磁尾等离子体片动力学过程,主要是亚暴增长相（growth phase）和膨胀相起始的影响; （3）在亚暴增长相期间,上行离子流对膨胀相起始的触发作用等问题进行了模拟研究。由于亚暴膨胀相起始的重要标志是场向电流（field-aligned current）的突然增加,我们对每个过程中场向电流的特性都进行了重点分析。第一部分的研究主要是为了了解起源于夜侧电离层极光椭圆带源区的上行离子对场向电流的影响及可能引起近地磁尾电流片不稳定性的机制。在第三章我们详细介绍了这部分工作。这部分工作的主要结果包括: ·上行离子对磁尾的影响主要发生在近地区域。上行离子对磁尾的影响与上行离子的通量密切相关,上行离子的通量越高,影响越大。·随着进入磁尾的上行离子通量的增加,磁尾尤其是在近地等离子体片内
论文目录:
第一章 概述
1.1 关于上行离子的研究
(1) 对上行离子的观测
(2) 对上行离子的模拟研究
1.2 关于场向电流的研究
1.3 关于亚暴及其触发机制的研究
(3) 磁尾亚暴的观测特性
(4) 亚暴模型介绍
(5) 磁尾重联过程与亚暴膨胀相起始
(6) 对磁尾等离子体结构的观测及其与亚暴活动的联系
1.4 问题的提出
第二章 上行离子流对磁尾动力学过程影响的三维MHD 模拟方法
2.1 物理背景
(1) 方法的合理性分析
(2) 物理模型的建立
2.2 数值模拟模型
(3) 基本方程组
(4) 电离层模型
(5) Grad-Shafranov 平衡磁尾模型
本章总结
第三章 磁静时上行离子流对磁尾动力学过程的影响
3.1 边界条件的确定
3.2 上行离子对近地磁尾等离子体片的影响
(1) 上行离子流对近地磁尾等离子体片密度的影响
(2) 上行离子流对近地磁尾等离子体片压力的影响
(3) 上行离子流对等离子体片流场的影响
3.3 上行离子流对近地磁尾电流系统的影响
(4) 上行离子对近地磁尾越尾电流的影响
(5) 上行离子对近地磁尾场向电流的影响
(6) 模拟结果分析
(7) 上行离子流触发亚暴膨胀相起始的可能机制
本章总结
第四章 磁尾重联过程与亚暴膨胀相起始
4.1 研究背景
4.2 边界条件
4.3 X 线的地向运动与亚暴过程的发展
(1) X 线的地向运动
4.4 伴随着X 线地向运动的亚暴发展过程
(2) 伴随X 线地向运动的等离子体片变化过程
(3) 伴随X 线地向运动的越尾电流变化
(4) 伴随X 线地向运动的场向电流变化
4.5 模拟结果分析
(5) 磁场偶极化过程
(6) 亚暴电流系统特性
本章总结
第五章 上行离子流对亚暴膨胀相起始的触发作用
5.1 研究背景
5.2 边界条件
5.3 增长相前期上行离子流对亚暴过程的影响
(1) 增长相前期(t=105)系统状态
(2) 上行离子流对磁重联过程的影响
(3) 上行离子流对越尾电流的影响
(4) 上行离子流对场向电流的影响
5.4 增长相后期上行离子流对亚暴过程的影响
(5) 增长相后期(t=155)系统状态
(6) 上行离子流对磁重联过程的影响
(7) 上行离子流对越尾电流的影响
(8) 上行离子流对场向电流的影响
5.5 模拟结果分析
本章总结
第六章 上行离子与亚暴膨胀相起始——Cluster 卫星的观测
6.1 事件的观测与分析方法
(1) 观测事件的特征
(2) 场向电流的计算方法
6.2 事件的确定
(3) AE 指数和亚暴活动
(4) 上行离子流源区的确认
(5) 近地上行离子的观测特性
6.3 利用Cluster 卫星进行的观测结果和分析
(6) 磁场的变化
(7) 越尾电流的变化
(8) 场向电流的变化
(9) 观测结果分析
本章总结
第七章 总结与讨论
7.1 工作总结
7.2 进一步的工作展望
参考文献
致谢
附录:作者与主要工作成果
作者简介
博士期间主要工作成果
参加的全国及国际性学术会议
发布时间: 2005-09-09
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