双星和Cluster数据分析研究——磁层重要活动区的波-粒相互作用

摘要

在博士后研究工作期间本人主要从事磁层等离子体中低频波及其与带电粒子相互作用的观测研究，所研究的区域主要分为极尖区、极区、近地磁尾等离子体片。具体的工作主要有以下四个部分： 第一部分是极尖区中低频波与带电粒子的相互作用研究。采用Cluster穿越高高度和中高度极尖区时观测到的低频波与带电粒子相互作用为例。通过对Cluster卫星穿越高高度和中高度极尖区的数据分析，发现低频波(0.3-180Hz)与离子间有能量交换。Cluster在不同高度穿越极尖区时，低频波与离子间的相互作用特征也有所不同。在穿越高高度极尖区时，0.3-10Hz频段的低频波与离子间的相互作用很明显；而在穿越中高度极尖区时，0.3-180Hz频段的低频波与离子间的有强的相互作用，但仍然是0.3-10Hz频段的低频波占据能量的主要部分。0.3-180Hz频段的低频波与离子相互作用过程中能量传输特点表现为：一方面波将能量传输给离子，使离子加速或加热，离子能量增加；另一方面离子也可将能量传递给低频波，使波的电磁能增强。从观测证实了低频波与离子间的能量传输是双向的。而离子的回旋运动在离子与低频波的能量交换过程中起着重要作用。同时在低频波与离子相互作用过程中，离子的数密度变化与低频波的能量变化也有很好的相关性，这也充分说明了低频波对离子有加热和制冷作用。 第二部分是磁层高纬区域中动理学Alfvén波的产生机制研究。以中高度极尖区和较高极区中动理学Alfvén波的产生机制为例。根据Cluster卫星在中高度极尖区和较高极区的观测资料和动理学Alfvén波(KAWs)形成机制的理论研究，发现KAWs可以在磁层高纬区中形成，其中带电粒子的密度不均匀及其温度各向异性和下行离子束的运动是该区域中KAWs形成的主要因素。以2001年8月6日Cluster穿越北半球中高度极尖区和2001年7月4日Cluster穿越北半球较高极区为例，数据分析表明这些区域中的等离子体β值在0.002与0.025之间，即β大于电子与离子质量之比值且远小于1，故地心距离约5 Re的磁层高纬区域属于动理学Alfvén波产生的动力学区。离子与电子密度具有明显的扰动，而且电子的温度是强各向异性的；并且质子有明显的下行运动。这些观测结果与理论研究结果即等离子体的密度不均匀、温度各向异性和离子运动对KAWs的形成有重要作用，有很好的一致性。 第三部分是多颗卫星对极尖区中带电粒子和低频波的时空演化特性的研究。根据Cluster星簇在2001年8月6日穿越北半球中高度极尖区多颗卫星探测到的带电粒子和低频波的数据，分析中高度极尖区中带电粒子能量变化与太阳风动压增强、行星际磁场改变和低频波之间的关系，并比较不同带电粒子在该区域中能量转化的异同。通过多颗卫星的观测数据比较得到中高度极尖区中等离子体的时间和空间演化特征，同时可以清楚地辨认太阳风、行星际磁场和波粒相互作用对极尖区带电粒子能量变化的作用。观测资料分析发现，太阳风动压对中高度极尖区带电粒子特性有重要影响。太阳风的动压增强和行星际磁场的Bz和Bx的变向可以驱动向阳面磁层顶的高能量粒子进入中高度极尖区；同时在太阳风-磁层-电离层耦合过程中，电离层的带电粒子对太阳风变化的响应，它们从电离层上行到中高度极尖区中。数据分析表明太阳风动压的增强和行星际磁场方向的变化导致了极尖区中带电粒子温度异常；Cluster星簇的多点观测能够很好地分辨空间等离子体的时间和空间变化；这对研究太阳风-磁层-电离层耦合过程起着重大的推动作用；极尖区中离子(质子)与电子的加速和加热机制不相同，电子运动受外界条件改变的灵敏度要高些。 第四部分是与亚暴相关的近地磁尾等离子体片中不稳定性和低频波的分析研究。通过TC-1卫星在2004年9月14日穿越近地磁尾等离子体片区的观测数据分析，以及ACE卫星在该天9：10分钟左右探测到持续很长时间的南向行星际磁场，发现在地心距离约13 Re附近的磁尾等离子体片区存在着强不稳定性区域(锋面区，Liu et al.,2006)。该区域是行星际磁场条件改变对磁层作用的反映区之一，同时也是磁尾亚暴发生的重要区域。近地磁尾等离子体片强不稳定区域的特征主要有：1)离子数密度增加而电子数密度减小，等离子体密度有强扰动出现；2)等离子体温度升高，离子温度具有强的各向异性；3)存在强地向流和尾向流，x方向上的速度大于200km/s，这两种流出现的几率接近；4)尾向流出现时，离子整体流的投掷角一般小于45度，磁场大小减小，而地向流出现时离子整体流的投掷角一般在45-145度之间；5)磁场存在着强的扰动，伴随有频率小于离子回旋频率的低频波出现。该不稳定性区域是强作用区，存在剧烈的能量交换和波与粒子相互作用。这些对揭示亚暴的触发机制有重要的作用。

目录

文摘

英文文摘

序言

1极尖区低频波与带电粒子的相互作用

1.1引言

1.2典型事件分析

1.2.1穿越高高度极尖区的事件分析

1.2.2穿越中高度极尖区的事件分析

1.3讨论

1.4结论

参考文献

附图

2磁层高纬区域中动理学Alfven波的产生机制讨论

2.1引言

2.2观测资料

2.2.1中高度极尖区中动理学Alfvén波的形成机制

2.2.2较高极区中动理学Alfvén波的形成机制

2.3讨论

2.4结论

参考文献：

附图（一）

附图（二）

3中高度极尖区时空演化的多点观测研究

3.1引言

3.2观测资料

3.2.1 太阳风动压及行星际磁场条件

3.2.2中高度极尖区内带电粒子的特性

3.2.3低频波与带电粒子相互作用

3.3讨论

3.4结论

参考文献

附图

4近地磁尾等离子体片中不稳定性和低频波与亚暴的相关分析

4.1引言

4.2观测资料

4.2.1行星际条件、Dst指数、极光现象和AE指数

4.2.2 2004年9月14日事件分析

4.3讨论

4.4结论

参考文献

附图（一）

附图（二）

研究展望

致谢

博士后个人简历

博士后工作期间完成和发表的论文、参加国内外的主要科学会议及负责和主要参加的项目