太阳风向磁层传输的观测研究

论文摘要

磁层是地球及其环境的天然屏护,由于磁层的存在,太阳风大部分粒子和能量被屏蔽在磁层之外,而只有一小部分的太阳风粒子和能量进入磁层。而正是这些进入磁层的太阳风的能量、动量和质量,形成了地球空间的磁暴和极光等空间天气事件的物质基础。因此,太阳风向磁层的传输是磁层物理研究的一个非常重要的问题。本文利用双星、Cluster以及ACE等卫星的探测数据,首先对太阳风向磁尾等离子体片的传输作了统计研究,并通过分析IMF南向和IMF北向期间的两个典型事件,分别研究了不同条件下不同区域发生的磁场重联对太阳风向磁层传输的作用。具体结论如下:1.利用双星TC-1卫星在磁尾以及ACE卫星在拉格朗日点（L1）的探测数据,对太阳风向磁尾等离子体片的传输进行了统计分析。分析表明,在地心距离913.4Re的磁尾等离子体片的性质明显受到太阳风的驱动。主要结果包括:（1）行星际磁场IMF的晨昏分量By与磁尾等离子体片中磁场的晨昏分量By之间有较强的正相关关系,其比例因子为1.09,这表明IMF的晨昏分量能有效穿透磁层而进入等离子体片,并且受到了913.4Re区域的日向对流的放大作用;（2）太阳风密度以及太阳风动压力越大,磁尾等离子体片中的密度也就越大,并且太阳风动压力在太阳风向磁层输送物质方面起着相对而言更为重要的作用;（3）磁尾等离子体片中的离子热压力受到太阳风动压力的控制,这反映了太阳风与磁尾等离子体片之间的压力平衡;（4）与前人在更远的磁尾等离子体片中的同类研究结果不同,在IMF北向时,磁尾等离子体片中的离子温度和热压力随着太阳风速度的增加而降低,这一统计特征表明太阳风等离子体在IMF北向时可以由低纬边界层进入近地磁尾等离子体片,并且在IMF北向条件下太阳风速度越高,越能促进这种传输过程的发生。2.通过分析Cluster观测到的热离子和电子数据以及磁场数据,主要研究了Cluster穿越磁层顶的事件。在这个事件中,卫星在纬度40o、磁地方时13:20的位置观测到一个位于磁层顶内侧的过渡层。过渡层的磁场具有磁层磁场位形而等离子体却具有温度低、密度高、速度快等磁鞘等离子体特征。从粒子能谱分析,过渡层的热离子和电子的能谱均显示出类似于但又稍有所区别于磁鞘等离子体的粒子能谱特征。过渡层的这些特征表明太阳风等离子体进入了磁层。过渡层沿磁层顶法向方向的厚度约为657千米,相当于0.1 Re。在磁层顶附近出现的高速流,其方向和大小表明可能是磁场重联引起了太阳风进入磁层。而转换到磁层顶坐标系中的磁场法向分量BN的双极信号则进一步说明了重联的发生。太阳风等离子体向磁层顶方向流动,由于重联形成了重联磁力管,太阳风通过重联磁力管进入磁层。而重联磁力管起源于磁层的部分则仍然位于磁层顶内侧,并为太阳风进入磁层提供了路径。重联形成的一对重联磁力管导致的太阳风向磁层的动量传输率约为430N。对这个事件的分析为向阳面磁层顶低纬区域的磁场重联如何引起太阳风进入磁层提供了更多的观测证据和物理细节。3.分析了双星-Cluster对于IMF北向期间高纬磁场重联及其引起的太阳风向磁层传输的联合观测事件。在IMF北向期间,Cluster/SC1在南极隙区附近观测到了高纬重联引起的高速流以及离子加热现象;同时双星TC-1在向阳面低纬磁层顶内侧观测到冷的、密的太阳风等离子体进入了磁层。分析表明:（1）IMF北向期间,在南极隙区靠夜侧一方的高纬磁层顶发生了分量重联,重联加速和加热了等离子体。（2）高速流具有向日方向的Vx分量、向晨侧方向的Vy分量、以及向低纬方向的Vz分量,高速流的方向与此时具有晨侧方向的By分量的IMF北向条件下的重联模型所预期的高速流方向是一致的。（3）重联过程可加热等离子体,并且在平行磁场方向上比在垂直磁场方向上的加热更为明显,可达到4keV。（4）伴随着高纬磁层顶的重联的发生,TC-1在向阳面低纬区域观测到冷的、密的太阳风等离子体被传输进入磁层。（5）IMF北向期间,太阳风磁力管通过发生在南北极隙区靠夜侧一方的高纬磁层顶的重联而被磁层所捕获,并拉进向阳面磁层,从而使其中的太阳风等离子体传输进入磁层。对这一联合观测事件的分析,为IMF北向期间高纬磁场重联引起的太阳风向磁层传输这一重要机制提供了进一步的观测证据。以上研究表明,由磁场重联引起的太阳风向磁层传输能量、动量和质量的机制,依然是最有效、最主要的传输机制,这些结果提高了我们对于太阳风向磁层传输能量、动量和质量的认识,为前人提出的传输机制提供了更多观测证据和物理细节。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 太阳风向磁层传输的研究背景
• 1.1 太阳风
• 1.2 行星际磁场
• 1.3 地球磁层
• 1.4 太阳风向磁层的传输
• 1.4.1 开放和封闭两种磁层模型
• 1.4.2 磁层顶边界层的结构
• 1.4.3 太阳风向磁层传输的主要机制
• 第二章 科学数据和数据分析方法
• 2.1 科学数据
• 2.1.1 TC-1 科学数据
• 2.1.2 Cluster 科学数据
• 2.1.3 ACE 科学数据
• 2.2 数据分析方法
• 2.2.1 相关性的统计研究方法
• 2.2.2 最小方差方法MVA
• 第三章 太阳风向磁尾等离子体片传输的统计分析
• 3.1 引言
• 3.2 相关性分析的主要结果
• 3.3 小结
• 第四章 IMF 南向期间太阳风通过通量管向磁层的传输
• 4.1 引言
• 4.2 数据来源
• 4.3 Cluster 在IMF 南向期间观测到的向阳面磁层顶的过渡层及其分析
• 4.4 小结
• 第五章 IMF 北向期间高纬磁场重联引起的太阳风向磁层的传输
• 5.1 引言
• 5.2 数据来源
• 5.3 双星-Cluster 的联合观测及其分析
• 5.4 小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 博士期间论文发表情况
• 致谢