太阳风中中小尺度结构的观测研究

论文摘要

本文对太阳风中的慢激波观测、磁云边界层的磁层响应以及磁云边界层中朗缪尔波活动现象三个方面作了初步观测研究,主要研究结果如下:1.历史上太阳风中慢激波的观测非常少,利用WIND飞船的高分辨率磁场和粒子观测数据,我们严格证认了一例典型的慢激波事件,该慢激波正好位于某磁云边界层的前边界.该事件也是文献上首次和磁云相关的慢激波事件的报道.在证认慢激波事件过程中,我们提出一种新的基于Rankine–Hugoniot解的激波法向自洽确定方法.基于此方法确定激波法向,并且与其它方法如磁场共面法、最小方差法作比较,我们发现此方法确定的激波法向更准确.随后我们又证认了一例罕见的双间断事件,该双间断事件也位于某磁云边界层的前边界.通过WIND飞船和Geotail飞船在磁层外的联合观测发现该双间断是不稳定的,这与前人报道的双间断事件不同.2.综合考察了磁云边界层穿越磁层时磁层各区域的响应.首先我们统计分析了WIND飞船1995–2006年探测的35例磁云前边界层和磁层亚暴的相关性问题,发现“SF”型边界层与亚暴有很好的相关性,是触发亚暴的重要行星际源.边界层触发亚暴的必要条件是紧邻鞘区有持续南向磁场.随后我们全面分析了WIND飞船2004年11月9日探测的磁云边界层引起的磁层活动.该磁云边界层本身持续较强南向磁场驱动了一个强磁暴.相对于紧邻鞘区和磁云本体,磁云边界层是一个动压增强区.此边界层把磁层压缩至一个很小区域,甚至地球同步轨道向阳侧的多颗卫星穿越磁层顶,以致很长时间内直接暴露在太阳风中,构成极端空间天气条件.磁云边界层内部磁场等离子体结构触发了一个典型亚暴.另外,磁云边界层前边界是一个快速强动压脉冲结构,此动压脉冲结构会引起磁层电场、磁场、电流、电流层对流以及高能粒子全面的响应.对我们分析的35例磁云前边界层,57%的前边界为快速强动压脉冲增强结构,这些响应是边界层前边界压缩磁层引起磁层扰动的共性.最后根据Shue(1998)磁层顶模型,我们计算了磁云边界层穿越磁层时对磁层的普遍压缩作用.磁云边界层强动压区会使磁层顶被压缩至非常靠近地球的位置.而在我们考察的34个边界层事件(35个样本里面其中一个缺少等离子体观测数据)中,有21个事件(62%)对应的由于磁层顶的被压缩使日下点位置距地心的最小距离r0min≤8.0 RE.另外结合GOES卫星的观测和Shue(1998)模型,发现有8个事件(占总样本的24%)对应的向阳面磁层顶被压缩至地球同步轨道以内,可能导致灾害性空间天气事件的发生,所以须引起足够的重视.磁云边界层相对于鞘区和磁云本体,对磁层的压缩能力更强.3.对磁云边界层内朗缪尔波动作了初步分析,发现两类磁云边界层内特有的朗缪尔波活动现象:一类是相对于邻近鞘区和磁云本体,整个边界层内朗缪尔波活动增强;另一类是短时间的朗缪尔波爆发现象,同时伴随着宽频带的离子声波活动.随后我们考察了其中一例朗缪尔波爆发的事件对应的高分辨率电子分布函数数据,发现速度约为7×103 km/s的高能电子束流形成尾峰分布不稳定性导致了朗缪尔波的爆发.

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 深空探测计划简介
• 1.1.1 内日球层探测
• 1.1.2 外日球层探测
• 1.1.3 1 AU 附近的深空探测
• 1.1.4 WIND飞船科学数据简介
• 1.2 太阳风中的间断面研究
• 1.2.1 磁流体间断面的特点
• 1.2.2 太阳风中方向间断的的观测
• 1.3 行星际激波
• 1.3.1 磁流体激波理论
• 1.3.2 行星际快激波的观测及空间天气效应
• 1.4 磁云边界层
• 1.4.1 磁云
• 1.4.2 磁云边界的确定
• 1.4.3 磁云边界层
• 1.4.4 磁云边界层与磁洞、磁场下降区特点的比较
• 1.5 总结
• 第二章 基于Rankine–Hugoniot（R–H）解的激波法向自洽确定方法
• 2.1 引言
• 2.2 历史上的激波法向确定方法
• 2.3 基于Rankine–Hugoniot 解的激波法向自洽确定方法
• 2.4 总结
• 第三章 和磁云边界层相关的慢激波的观测研究
• 3.1 引言
• 3.2 太阳风中慢激波和双间断的观测
• 3.3 慢激波的证认——WIND 飞船1997 年9 月18 日的观测
• 3.3.1 慢激波结构
• 3.3.2 慢激波的证认
• 3.3.3 慢激波的来源分析
• 3.3.4 激波厚度和激波内部结构
• 3.3.5 讨论
• 3.4 双间断的观测——WIND 飞船1997 年5 月15 日的观测
• 3.4.1 WIND 飞船探测到的双间断结构
• 3.4.2 慢激波层的证认
• 3.4.3 双间断的演化:从WIND 飞船观测到Geotail 飞船观测
• 3.4.4 讨论
• 3.5 总结
• 第四章 磁层对磁云边界层的响应研究
• 4.1 引言
• 4.2 太阳风驱动下的磁层动力学状态
• 4.2.1 太阳风–磁层–电离层耦合
• 4.2.2 磁层大尺度活动现象
• 4.2.3 太阳风中瞬变和共转结构对磁层活动的影响
• 4.2.4 太阳风动压增强的磁层效应
• 4.2.5 小结
• 4.3 磁云边界层与磁层压暴的相关性研究
• 4.3.1 分析方法和磁云边界层列表
• 4.3.2 典型的磁云边界层触发亚暴事件
• 4.3.3 “NF”型边界层不触发亚暴的事件
• 4.3.4 统计分析
• 4.3.5 结论和讨论
• 4.4 磁层对磁云边界层的响应——个例研究
• 4.4.1 WIND 飞船2004 年11 月9–10 日观测到的磁云和磁云边界层事件
• 4.4.2 磁层卫星的观测
• 4.4.3 磁云边界层触发磁层亚暴分析
• 4.4.4 磁云边界层前边界对磁层压缩效应
• 4.4.5 结论
• 4.5 磁云边界层对磁层的压缩作用分析
• 4.5.1 磁云边界层的边界特征
• 4.5.2 磁层顶被磁云边界层压缩至地球同步轨道以内的极端空间天气事件
• 4.6 总结
• 第五章 磁云边界层内等离子体波动的观测研究
• 5.1 引言
• 5.2 太阳风中等离子体波动的观测
• 5.2.1 太阳风中探测的常见波模
• 5.2.2 行星际射电爆发现象
• 5.2.3 和中小尺度结构相关的等离子体波活动现象
• 5.3 磁云边界层内朗缪尔波活动现象的研究
• 5.3.1 引言
• 5.3.2 磁云边界层内朗缪尔波活动现象
• 5.3.3 2000 年10 月3 日朗缪尔波爆发事件对应的电子分布函数研究
• 5.4 总结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 主要研究结果
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 发表文章目录
• 致谢