基于双星计划TC-1卫星观测的近地磁尾动力学研究

论文摘要

本论文主要基于TC-1卫星,并辅助Cluster及其它探测卫星的观测数据研究了磁层对行星际激波的响应现象及物理机制,并且深入研究了一些磁尾动力学过程:近地磁尾磁场偶极化现象以及磁层亚暴膨胀相“锋面”触发过程,共包括三个方面的内容.其主要研究成果如下:1.利用TC-1卫星,并辅助其它磁层观测卫星GOES,LANL,Cluster及地磁台站的观测分析了磁层对行星际激波的响应,主要是磁尾等离子片及地球同步轨道区域的响应.首先我们讨论了2004年11月7日两例行星际激波触发的磁尾等离子体片振动增强事件.这两例行星际激波对应的行星际条件为弱南向或者北向.当激波作用于磁层时,等离子体片温度、数密度均突然增加,并且离子流流速突然增加,增强的等离子体流持续一段时间.其中最显著的现象是等离子体准周期振动显著增强,增强的等离子体流与局地磁场近似垂直.这种激波触发的等离子体片准周期对流振动增强的现象迄今为止还没有人报道过.我们推断激波触发的等离子片扰动很有可能是由激波在传播过程中引起磁鞘等离子体动压增强从而对磁尾对称压缩引起的.以前的研究表明太阳风动压增强的磁层响应与行星际磁场方向有关,在相关研究中,为了去除行星际磁场变化带来的影响,一般只考察稳定的行星际磁场条件下动压增强的效应.但是Pdy和BZ同时发生突变的综合效应有待于进一步研究.我们分别分析了磁场方向发生南向偏转和北向偏转情况下动压脉冲结构作用于磁层时引起的磁层各区域不同的响应.2004年7月22日,WIND飞船探测到一个典型的行星际激波,激波前为持续较长时间的微弱南向磁场,越过激波面,磁场发生南向偏转.当激波作用于磁层时位于磁尾等离子体片不同位置的TC-1卫星和Cluster卫星都观测到等离子体对流迅速增强.Cluster上搭载的电场探测仪器可以直接观测到晨昏电场的增加.位于磁尾等离子体片以及地球同步轨道不同位置的卫星观测到的磁场变化则不同:TC-1观测到磁场大小几乎不变但磁场仰角变小,而离赤道较远的Cluster卫星则观测到磁场显著增强;位于午夜侧附近的GOES-10卫星观测到磁场强度突然增加,磁场仰角变小;位于晨侧的GOES-12卫星的观测则表现出简单的磁场压缩,即磁场强度及各分量都显著增加.另外,分布在各个磁地方时的LANL卫星观测的高能质子和高能电子通量都脉冲增强,在向阳面粒子通量的变化比夜侧明显,位于午夜侧的粒子通量响应则最弱.以上磁层响应是由动压脉冲结构以及磁场南向偏转共同作用的结果.2004年11月9日,WIND飞船也探测到一个典型的行星际激波.激波前行星际磁场为持续约50分钟的弱南向磁场,越过激波面,磁场发生北向偏转.在此强动压脉冲结构作用下,磁层被压缩至一个很小的区域.激波作用于磁层时除了与稳定太阳风条件下动压脉冲结构作用于磁层相似触发尾瓣SI现象外,地球同步轨道区域磁场和高能粒子响应则呈现出新的观测现象,主要有:（1）不同磁地方时的高能粒子通量的响应不同,表现出双模式扰动,即在晨昏两侧各能段的电子、质子通量显著增强,但是在子夜侧发生类似于亚暴的无色散粒子注入现象.扰动从向阳面传到背阳面,向阳面粒子通量最先增强,随后背阳面靠近晨昏两侧,粒子通量开始增强,最后子夜侧粒子通量表现出无色散高能粒子注入的特点.另外,在靠近正午侧,质子通量先于电子通量发生响应;在子夜侧电子通量则先于质子通量发生响应.不同种类的高能粒子响应时序不同是一种新的观测现象.（2）根据向阳面正午两侧的GOES-10和GOES-12卫星的观测我们推断当激波作用于磁层时,日下点附近局部磁层顶电流的减弱,减弱的磁层顶电流同增强I区电流相连.这些现象是磁场北向偏转和动压脉冲结构共同作用的结果.2.我们首先以2004年10月12日的一个磁场偶极化为例来研究近地磁尾磁场偶极化过程中磁场和等离子体特征,研究发现:在偶极化前一分钟,有较强的（VX <-100 km/s）持续时间超过3 min的尾向流发生.尾向流期间,磁场线被拉伸.当尾向流逐渐减弱并有地向流出现时磁倾角急剧上升,即发生了磁场偶极化.考察磁场和等离子体速度矢量之间夹角θBV发现,尾向流期间,θBV的平均值约为150?,也就是该尾向流在垂直于磁场方向有较大的分量,分析发现,正是在该垂直速度的作用下,磁场线在尾向流期间被尾向拉伸,磁场表现出亚暴膨胀相特征.当尾向流结束,在地向流和磁张力的作用下,磁场线向地球一侧收缩,磁倾角增加,磁场偶极化发生.其次,我们利用TC-1于2004–2006年期间在近地磁尾的观测资料,共认证了59例磁场偶极化事例,应用时序迭加法,进行统计分析发现:（1）磁场偶极化前约10分钟都观测到磁场BZ分量的逐渐增加,即发生磁通量堆积;（2）磁场偶极化开始前后分别观测到持续的尾向流和地向流,它们对应的磁场位型分别是非偶极型和偶极形磁场.磁场偶极化前,热离子数密度、温度逐渐下降,磁场逐渐增强;而磁场偶极化开始后,热离子数密度、温度迅速上升,磁场迅速减弱.这说明偶极化开始前后,能量在磁能和等离子体热能之间发生了一定程度的转化;（3）从等离子体片边界层过渡到低纬尾瓣区,偶极化前尾向流的温度由明显的各向异性过渡到各向同性.以上个例和统计研究表明,尾向流在磁场偶极化的过程中,对改变磁场线的位型有着重要的作用,因此,尾向流在亚暴膨胀相触发过程中可能有着重要的作用,它可能对亚暴膨胀相前后能量的储存和释放过程有着一定的影响.3.亚暴膨胀相“锋面”触发模型是刘振兴在2006年36th北京COSPAR大会上首次正式提出的.我们以2004年10月1日的亚暴为例,分析亚暴膨胀相“锋面”触发过程.观测表明,在此次亚暴期间有较强的尾向流出现.在尾向流的增强相,磁能增加,热能减少,而在尾向流的减弱相,磁能减少,而热能迅速增加;由于极光点亮就发生在这一阶段,同时TC-1所在的磁尾区域在电离层的足点和亚暴极光点亮的位置非常接近,因此,我们推断,这一阶段的能量转化和释放过程和亚暴膨胀相触发过程有着密切的联系.

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 磁层结构和区域特征
• 1.1.1 磁层顶、舷激波和磁鞘
• 1.1.2 内磁层
• 1.1.3 磁尾
• 1.2 磁层动力学过程
• 1.2.1 磁层亚暴介绍
• 1.3 卫星仪器和科学数据
• 1.3.1 欧空局Cluster II 星簇卫星
• 1.3.2 中国双星（Double-Star）计划
• 1.3.3 双星计划和Cluster II 的六点联合观测
• 1.3.4 地球同步轨道区域卫星
• 1.3.5 数据格式
• 1.4 本章 总结和后续章 节内容安排
• 第二章 磁层对行星际激波的响应研究
• 2.1 磁层对动压脉冲结构的响应研究综述
• 2.1.1 行星际激波
• 2.1.2 磁层响应
• 2.2 激波直接驱动磁尾等离子体片等离子体振动增强事件
• 2.2.1 数据及仪器
• 2.2.2 2004 年11 月7 日02:00 UT 事件
• 2.2.3 2004 年11 月7 日10:04 UT 事件
• 2.2.4 讨论和结论
• 2.3 IMF 南向偏转和动压脉冲结构共同作用下的磁层响应
• 2.3.1 WIND 飞船探测的激波事件
• 2.3.2 磁尾等离子体片的响应分析
• 2.3.3 地球同步轨道区域磁场和高能粒子响应
• 2.3.4 讨论与结论
• 2.4 IMF 北向偏转和动压脉冲结构共同作用下的磁层响应
• 2.4.1 2004 年11 月9 日激波事件
• 2.4.2 受激波压缩后的磁层形状分析
• 2.4.3 地球同步轨道高能粒子和磁场的响应
• 2.4.4 磁尾磁场响应：TC-1 观测
• 2.4.5 结论
• 第三章 近地磁尾磁场偶极化|基于TC-1 观测
• 3.1 引言
• 3.2 近地磁尾磁场偶极化
• 3.2.1 磁场偶极化的概念及观测特征
• 3.3 数据分析方法|时序迭加法（Superposed Epoch Method）
• 3.4 近地磁尾磁场偶极化与尾向流|个例分析
• 3.4.1 引言
• 3.4.2 背景条件
• 3.4.3 典型事件分析
• 3.4.4 讨论
• 3.4.5 小结
• 3.5 近地磁尾磁场偶极化的统计研究
• 3.5.1 偶极化事件的选取及分类
• 3.5.2 统计分析
• 3.5.3 讨论
• 3.5.4 小结
• 3.6 总结
• 第四章 亚暴膨胀相“锋面”触发模型的理论和初步观测结果
• 4.1 引言
• 4.2 亚暴膨胀相“锋面”触发模型理论
• 4.2.1 亚暴膨胀相“锋面”触发模型的科学论点
• 4.2.2 与亚暴膨胀相“锋面”触发模型相关的观测和模拟
• 4.3 亚暴膨胀相“锋面”触发过程初步观测结果|个例分析
• 4.3.1 2004 年10 月1 日亚暴的观测研究
• 4.3.2 讨论和小结
• 4.4 总结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 主要研究结果
• 5.2 未来工作的展望
• 参考文献
• 发表文章目录
• 致谢