极端行星际条件下的磁层顶位形研究

论文摘要

极端行星际条件下磁层顶会被压缩到地球同步轨道以内,常常给航天、通信、导航、电力等带来巨大损失和严重危害,因此研究极端行星际条件下的磁层顶位形对于空间天气预报和卫星运行环境监测十分重要。磁层顶位形的研究已经有四十多年的历史,其研究结果证明磁层顶位形主要受太阳风动压D,及行星际磁场IMFBz分量的影响,而且已建立起十多个磁层顶位形经验模型。这些经验模型使用的磁层顶穿越数据主要分布在低纬区和XGSM>-10Re区域,高纬和XGSM<-10Re区域的穿越数据稀少,而且极端行星际条件下的穿越事例所占的比例很小,给构建磁层顶经验模型带来了局限。为避免磁层顶穿越数据的局限,我们采用了三维全球MHD数值模拟研究极端行星际条件下的磁层顶位形。为给三维全球MHD数值模拟的参数取值提供参考,我们讨论了太阳风速度和数密度对磁层顶向阳侧磁重联的影响,同时分析了1997-2007年间大磁暴所对应的上游太阳风条件,并根据大磁暴上游太阳风条件计算了72个极端行星际条件下的算例。本文根据流量方法诊断磁层顶位置,提取磁层顶位形数据。我们通过对磁层顶位形数据的分析,并参考Shue et al.[1998]模型和Lin et al.[2010b]模型,构建了一个三维非对称磁层顶数值模型。该模型参数控制方程是关于太阳风动压Dp和行星际磁场IMFBZ分量的函数,模型的系数使用Levenberg-Marquardt多参量非线性拟合方法进行拟合。根据本文模型：在极端行星际条件下,Dp增大时,磁层顶尺度减小,但形状基本不变；南向IMF Bz增大时目下点r0略有减小,磁层顶磁尾张角减小,磁层顶最内凹点向低纬移动。我们通过对2010年8月1日和1859年9月1日的太阳风暴事件进行数值模拟验证后发现,与Shue98模型和Lin2010模型相比,本文模型能更好地描述极端行星际条件下的三维磁层顶位形,可以为极端行星际条件下的磁层顶位形预报提供参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 引言
• 1.1 磁层顶简介
• 1.2 磁层顶位形模型的发展概况
• 1.3 低纬磁层顶经验模型
• 1.3.1 Roelof and Sibeck[1993]（RS93）模型
• 1.3.2 Petrinec and Russell[1996]（PR96）模型
• 1.3.3 Shue et al.[1997]（Shue97）模型
• 1.3.4 Shue et al.[1998]（Shue98）模型
• 1.3.5 Chao et al.[2002]（C02）模型
• 1.4 高纬磁层顶位形经验模型
• 1.4.1 Boardsen et al.[2000]（B00）模型
• 1.5 三维非对称磁层顶模型
• 1.5.1 Lin et al.[2010]（Lin2010）模型
• 1.6 本文的研究目的
• 第二章 数据简介及分析方法
• 2.1 物理模型和计算方法
• 2.1.1 理想MHD方程
• 2.1.2 电离层电势方程
• 2.1.3 解域
• 2.1.4 太阳风速度和数密度对向阳侧磁层顶重联能量的影响
• 2.1.5 数值模拟参数的取值
• 2.2 数据分析方法
• 第三章 极端行星际条件下的三维磁层顶位形模型
• 3.1 极端行星际条件下的磁层顶位形建模
• 3.2 本文模型的特点及与Lin2010模型比较
• 3.3 2010年8月1日和1859年9月1日的太阳风暴件
• 3.3.1 2010年8月1日的太阳风暴事件
• 3.3.2 1859年9月1日的太阳风暴事件
• 3.3.3 本文磁层顶模型的验证
• 第四章 结论及存在问题
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间已发表、录用、提交的论文目录
• 致谢