太阳风—磁层—电离层电场穿透与屏蔽的观测与模拟

论文摘要

太阳风-磁层-电离层电场穿透与屏蔽过程一直是太阳风-磁层-电离层电动力学耦合研究的重点课题。这一问题的研究虽然已有40多年的历史,但是,一些最关键的问题至今尚未解决,主要包括:1、太阳风电场进入磁层的机制;2、行星际/磁层电场渗透到低纬电离层的持续时间;3、暴时的屏蔽电场的发展过程;4、行星际电场穿透到低纬电离层的效率,即电场穿透效率;5、电场穿透效率的地方时依赖性。针对这些问题,本文使用观测分析和数值模拟两种研究方法,对太阳风-磁层-电离层电场穿透与屏蔽现象做了较为系统的研究。主要工作概述如下:（1）利用多个卫星和地面探测仪器的联合观测数据,分析了2003年11月11日-16日多重电场穿透事件。这是迄今为止报道的持续时间最长（125个小时）的电场穿透事件。研究发现重联电场与赤道电场的相关性比太阳风电场更好,表明太阳风电场通过向阳面磁层顶的磁重联机制进入磁层-电离层系统,并且穿透到了赤道地区。该事件中平均穿透效率为0.136。（2）利用多颗磁层卫星的磁场和等离子体数据分析了2005年9月15日赤道电离层电场过屏蔽事件。研究发现,磁层位形变化导致过屏蔽效应呈现逐渐增加和缓慢衰减的2个发展阶段,是引起赤道电离层电场扰动的重要原因。这一事件第一次从观测上验证了上世纪80年代Wolf等人为解释磁层-电离层电场耦合提出的理论。上述2个事件研究结果为解决问题1-4的提供了新的认识。由于太阳风-磁层-电离层电场穿透与屏蔽过程是一个全球尺度的问题,而目前观测手段存在时空局限性,对于问题5我们借助计算机数值模拟进行研究。（3）在数值模拟研究中,我们以南北半球耦合的电离层电场模式为基础,主要对高纬边界条件进行改进,并且考虑太阳风-磁层发电机对电离层电场的驱动作用,对太阳风-磁层-电离层电场穿透与屏蔽过程的一些全球尺度特性做了研究。主要结果如下:（3a）地磁场位形对电离层电场分布的影响:利用中性风与电导率模型,分别在地心共轴偶极场、地心倾斜偶极场和国际地磁参考场（IGRF）三种地磁场模型下计算电离层电场,比较三种结果发现,地磁场位形对电离层电场分布有显著影响。（3b）穿透效率的地方时依赖性:利用改进的电离层电场模式,针对太阳风-磁层-电离层电场穿透效率做了实验性探讨。基本结论为:1)不考虑跨极盖电势的饱和效应,赤道电场对行星际电场线性响应,且中性风发电机不影响电场穿透效率;2)穿透效率具有地方时变化:在0900LT至2300LT之间,穿透效率维持在10%左右,0000LT至0700LT之间,穿透效率从2%迅速上升至30%后又迅速回落到原始水平,形成尖峰。这些结论使得我们对电场穿透效率的地方时依赖性第一次有了初步的认识。（4）向阳面磁层顶磁场重联是太阳风电场进入磁层-电离层系统的重要途径。利用双星TC1的观测数据,本文分别使用最小方差分析法（MVA）、deHoffmann-Teller（HT）分析和Grad-Shafranov反演方法（GSR）分析了一个向阳面磁层顶多重通量传输事件。结果揭示出向阳面磁层顶非稳态重联产生的通量管结构、运动等一些特征。综上所述,本文对太阳风-磁层-电离层电场穿透与屏蔽机制从观测和模拟两种角度都展开了探索,其结果拓展了我们对太阳风-磁层-电离层电动力学耦合的认识。使用观测手段,我发现了一个迄今为止最长时间的多重电场穿透事件,并且以一个磁层形变导致赤道电离层扰动事件验证了一个提出多年的理论。借助数值模拟方法,本文第一次定量地讨论了电场穿透效率的地方时依赖性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 磁层－电离层系统概述
• 1.1.1 磁层结构与大尺度电流体系
• 1.1.2 电离层电动力学特性
• 1.1.3 磁层－电离层耦合
• 1.2 磁场重联与磁层对流
• 1.2.1 磁场重联
• 1.2.2 向阳面磁层顶通量传输事件
• 1.2.3 磁层对流及与电离层的耦合
• 1.3 电场的穿透与屏蔽
• 1.3.1 观测历史
• 1.3.2 理论解释
• 1.3.3 模拟研究
• 1.4 本文工作的主要内容
• 第二章 超长时间多重电场穿透事件分析
• 2.1 电离层电场的探测方法
• 2.1.1 非相干散射雷达测量电离层电场
• 2.1.2 利用△H 估计赤道电离层电场
• 2.2 长时间多重电场穿透事件的观测
• 2.2.1 行星际条件及地磁活动指数
• 2.2.2 行星际电场和赤道电场的观测
• 2.2.3 行星际电场和赤道电场的比较
• 2.2.4 电场穿透及穿透效率
• 2.2.5 11 月15 日电场穿透分析
• 2.3 讨论与小结
• 第三章 磁层形变对赤道电离层电场的影响
• 3.1 引言
• 3.2 观测结果
• 3.2.1 过屏蔽事件
• 3.2.2 日侧同步轨道与磁尾的磁场观测
• 3.2.3 夜侧同步轨道处等离子体观测
• 3.3 讨论与结论
• 第四章 中低纬电离层电场的建模研究
• 4.1 Euler Potential 坐标系描述
• 4.1.1 地磁场的标量势与 Euler Potential 坐标系
• 4.1.2 建立 Euler Potential 坐标的数值方法
• 4.2 模型描述
• 4.2.1 ξ= 0 时的积分电导率和中性风产生的水平电流
• 4.2.2 ξ≠0 时的积分电导率和中性风产生的水平电流
• 4.2.3 南北半球耦合
• 4.2.4 边界条件
• 4.2.5 中性风与电导率模型
• 第五章 地磁场位形对电离层电场分布的影响
• 5.1 引言
• 5.2 模式输入参数及边界条件
• 5.3 结果分析
• 5.3.1 全球电离层静电势分布
• 5.3.2 全球电离层水平电流分布
• 5.4 小结与讨论
• 第六章 行星际-赤道电场穿透效率的模拟研究
• 6.1 引言
• 6.2 模型输入参数及边界条件
• 6.3 结果分析
• 6.3.1 赤道电场对行星际电场的线性响应及中性风对穿透效率的影响
• 6.3.2 电场穿透效率的地方时依赖性
• 6.4 结论与讨论
• 第七章 向阳面磁层顶多重通量传输事件的观测与分析
• 7.1 引言
• 7.2 分析方法
• 7.2.1 最小变量分析法（MVA）
• 7.2.2 DeHoffmann-Teller 分析法（dHT）
• 7.2.3 Grad-Shafranov Reconstruction 方法（GSR）
• 7.3 多重通量管事件的观测与分析
• 7.3.1 观测结果
• 7.3.2 多重通量管的准周期重现性
• 7.3.3 多重通量管轴向分析
• 7.3.4 多重通量管整体运动特性分析
• 7.3.5 使用 GSR 方法对 FTE 分析
• 7.4 结论和讨论
• 第八章 总结与展望
• 8.1 工作总结
• 8.2 工作展望
• 参考文献
• 附录 攻读博士学位期间论文完成情况
• 致谢