太阳风、弓激波前兆区和磁鞘区中低频波动的研究

论文摘要

磁鞘区和地球弓激波前兆区是影响和改变太阳风波动特性,将太阳风能量传输到地球磁层的关键区域。即使在宁静太阳风条件下,在激波前兆区和磁鞘区内的波动对地球空间环境也有着显著的影响。深入研究磁鞘区和地球弓激波前兆区内的波动特性,对于理解地球空间天气过程,评估波动在影响近地空间环境的作用,从而了解波动现象在日地耦合系统中的地位具有重要的意义。本文基于双星TC-1,Interball-1,Cluster和ACE等多颗卫星的观测数据,通过个例研究和统计分析,对太阳风,激波前兆区和磁鞘内的低频波动的特性进行了研究。首先我们对太阳风、磁鞘区的波动特性进行了研究。利用Interball-1在1997年1月到1998年10月的观测数据:个例和统计分析的结果表明激波前兆区内的扰动幅度是未扰太阳风中的3倍,准平行磁鞘内的扰动幅度是准垂直磁鞘内的2倍,上游弓激波参数θBn对磁鞘内的扰动有明显的调制作用。我们也对Cluster在2001年1月到2003年1月的观测数据进行了分析,并比较了Interball-1和Cluster的统计结果,尽管两颗卫星的观测时段相差四年,处于不同的太阳活动期,但它们的统计结果在定性和定量上都符合得非常好。在激波前兆区,观测到了快磁声波;在准垂直磁鞘内则观测到了纯压缩波。为了对比研究低纬和高纬磁鞘内的扰动性质,我们对TC-1和Cluster在2004年内所有的磁鞘穿越事例进行了分析。结果表明,尽管两个卫星的轨道有明显的纬度差别,但是它们的统计分析结果却十分接近,说明不同纬度磁鞘内扰动的性质类似。磁鞘内的扰动除受上游弓激波位形的控制外,局地等离子体参数对波动性质也有着明显的影响,随着等离子体β值的增大,磁场大小和方向的扰动都显著增强。在磁鞘内,等离子体β值和温度各向异性T⊥/T之间存在一定的负相关性。为了进一步分析磁鞘内各种波动的性质以及他们之间的相互转换,我们采用两种波模判定方法对磁鞘内的波动进行了分析。第一种方法只根据磁场数据来鉴别磁鞘内的镜像波。利用最小方差分析方法,计算磁场最大扰动方向和平均磁场之间的夹角αeB,结合表征磁场大小扰动的参数RSD,即可以鉴别出镜像结构。我们利用这种鉴别镜像波的方法对2004年2月26日TC-1穿越磁鞘的事例进行了分析,在内磁鞘日下点附近发现了镜像结构。第二种方法是根据磁鞘内磁场和等离子体的数据,对磁鞘内波动的波模进行判定。利用四个传输比参数,采用一套金字塔流程来区分四种低频磁流体力学波（快波,慢波,Alfv`en波和镜像波）。对2004年2月26日TC-1穿越磁鞘的事例进行分析的结果表明:（1）在位于准垂直弓激波后的内磁鞘区域,镜像波占主导地位,其频率在0.01 ? 0.06Hz,这与第一种方法的判定结果相同。（2）在外磁鞘区域,0.01 ? 0.06Hz内的波动被判别为Alfv`en波,此时上游弓激波为准平行激波。（3）内外磁鞘之间的中磁鞘被认为是波模转换的一个过渡区,在这个区域内Alfv`en波和镜像波可能同时存在。在此事例中,磁鞘内波动的性质在不同区域有明显改变,波模发生了转变。对比分析同时间段内Cluster的磁场观测数据,我们认为这次磁鞘内的波模转变主要是由行星际磁场（IMF）方向的变化而引起的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 空间等离子中的低频波动
• 1.2 太阳风
• 1.2.1 太阳风概述
• 1.2.2 太阳风中低频波的研究现状
• 1.3 太阳风与地球磁场的相互作用
• 1.4 激波前兆区
• 1.4.1 激波前兆区概述
• 1.4.2 激波前兆区中低频波的研究现状
• 1.5 磁鞘
• 1.5.1 磁鞘概述
• 1.5.2 磁鞘中低频波的研究现状
• 1.5.3 磁鞘中低频波波模的识别方法
• 1.6 小结及本文的工作
• 第二章 卫星观测数据的选取
• 2.1 探测卫星概述
• 2.2 数据的选取及空间区域的划分
• 2.3 小结
• 第三章 Interball-1和Cluster数据分析
• 3.1 分析方法简述
• 3.2 1999年6月14日Interball-1穿越磁鞘的事例
• 3.3 统计分析
• 3.3.1 Interball-1数据的统计分析结果
• 3.3.2 与Cluster统计结果进行比较
• 3.4 小结
• 第四章 TC-1和Cluster数据分析
• 4.1 2004年2月26日TC-1穿越磁鞘的事例
• 4.2 统计分析
• Bn对磁场扰动的影响'>4.2.1 θ_Bn对磁场扰动的影响
• 4.2.2 等离子体β值对磁场扰动的影响
• ⊥/T_|| 与β之间的负相关性'>4.2.3 T_⊥/T_||与β之间的负相关性
• 4.3 小结
• 第五章 磁鞘内低频波的波模识别
• 5.1 利用磁场数据识别镜像波
• 5.2 用分级流程进行波模识别
• 5.3 磁鞘中的波模转变
• 5.4 小结
• 第六章 总结
• 参考文献
• 发表文章目录
• 致谢