太阳风等离子体的分类及其性质研究

摘要

太阳风是人类唯一能直接探测到的恒星风，整个地球处于太阳风等离子体不断的吹拂中，几乎所有对地球影响的事件都通过太阳风等离子体作为媒介来传递，所以深入理解太阳风等离子体，对其正确的分类和认知、深入了解其各种特性对所有和太阳风等离子体相关的研究都有着重要的意义。 本文发展了一种全新的即不依赖于重离子数据、也不需要太阳风历史数据和激波发生时间的太阳风等离子体分类方案;在新分类方案基础上分析了1AU处不同太阳风等离子体各种性质的统计特征，深入认识了四种太阳风的性质特点;分析了1AU处太阳风磁场矢量的角度分布函数，分析其对太阳周的依赖性及其它特点和应用。 首先，本文介绍了现有几种太阳风等离子体分类方法的优点和不足，根据对太阳风的认识和经验，搜集、创建了15个已知太阳风的列表，针对这些列表，利用OMINI2数据，考查了9个太阳风等离子体参数，最终选取了最佳的太阳风列表和最佳的参数组合，发展出了一种全新的等离子体分类方案，此方案只需要3个等离子体参数，即:太阳风质子的比熵Sp=Tp/np2/3;太阳风（质子）的阿芬速度VA=B/(4πmpnp)1/2;与太阳风速度相关的太阳风的预期温度Texp=(Vsw/258)3.113和实际测量太阳风（质子）温度的比值Texp/Tp。为了计算这三个参数，需要测量太阳风四个最基本的物理量:质子数密度np;质子温度Tp;磁场强度B和太阳风速度Vsw。该方案能够将太阳风分成四种等离子体:冕洞起源的等离子体（Coronal Hole Origin Plasma，简写为CHOP）;冕流带起源等离子体（Streamer Belt Origin Plasma，简写为SBOP）;磁场扇区极性反转区域起源的等离子体（Sector-Reversal-Region Plasma，简写为SRRP）;源自日冕物质抛射的等离子体(Ejecta)。通过对比其他分类方法、用其它已知列表交叉检验，显示新的分类方案准确度高，分类结果科学可靠。 其次，使用全新的分类方案，深入研究了1AU处的太阳风等离子体的多个性质，并发现了新的物理问题:速度非常高的太阳风大部分是Ejecta;低马赫数的太阳风大部分是Ejecta，高马赫数的太阳风大部分是SRRP;磁场方向垂直于帕克螺旋线的太阳风大部分是SBOP（太阳活动极小年）或Ejecta（太阳活动极大年）;磁场方向长时间沿径向的太阳风大部分是SRRP;磁场方向指出黄道面的太阳风大部分是Ejecta（太阳活动极大年）或SRRP（太阳活动极小年）;由C6+/C5+～O7+/O6+关系可知，CHOP和SBOP有相似的发生机制，Ejecta和SRRP有相似的发生机制，为什么会有这样的相似性，值得进一步研究。 最后，本文对1AU处的太阳风磁场角度分布做了研究。发现在一个很宽的α角度范围内，磁场的角度分布函数f（α）的拟合结果显示分布函数有两个主要部分，一个在小角度，一个在大角度。其中大角度的成分可以近似看作一个指数衰减成分，这可能是太阳风中的电流片存在而造成的。本文的分析表明，1AU处的太阳风磁场角度分布函数f（α）特别是f（α）的第二个成分，是具有太阳周期依赖的，这表明第二个成分取决于太阳风的类型;f（α）的另一个重要特征是α2的时间尺度特性:在大范围的时间尺度τ上，α2与τ成线性关系。这为太阳风湍流MHD模型提供了一个约束，相关的理论模型都可以参考这个基于观测的时间尺度特性，用来检验模型的合理性。 综上所述，本文提出的新的等离子体分类方案科学可靠，仅仅需要测量四个最基本太阳风等离子体物理量，对比其它分类方法有着方便、快速、准确率高的优点，且新分类并认识了一种磁场扇区极性反转区域产生的等离子体。通过对1AU处的太阳风等离子体的性质和磁场角度分布研究，加深了对太阳风等离子体的认识，获得太阳风磁场角度分布函数，为相关理论模型提供了一个基于观测事实的约束条件。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1太阳大气简介

1．2太阳风探测简介

1．2．1内日球层探测

1．2．2外日球层探测

1．2．3 1AU附近的太空探测

1．2．4太阳风的主要观测事实总结

1．3太阳风理论研究简介

1．3．1太阳风理论模型简介

1．3．2太阳风湍流研究简介

1．4研究目的和意义

1．4．1问题的提出

1．4．2本文的主要研究内容和章节安排

第二章一种全新的太阳风等离子体分类方法

2．1简介

2．1．1太阳风中的等离子体种类

2．1．2太阳风的分类的重要意义

2．1．3现有的太阳风分类方法

2．1．4本文的工作

2．2全新太阳风分类方案(3个参数4种类型)的研究

2．2．1搜集理想事件列表

2．2．2太阳风等离子体分类方法(3个参数，4种类型)

2．3小结

3．1引言

3．2其它太阳风分类方案用到的太阳风属性

3．3四种等离子体的α／p、铁氧比、β值和磁场扰动性质

3．4与地球有关的性质

3．5四种等离子体的出现频率

3．6小结

3．6．1第四种等离子体：磁场扇区极性反转区域产生的等离子体

3．6．2不同种类等离子体的性质

3．6．3 Sp，Sα，O7+／O6+和C6+／C5+之间的关系

3．6．4地球附近的出现频率

4．1简介

4．2数据选择和分析

4．2．1研究数据的选取

4．2．2数据分析

4．3小结和讨论

4．3．1本章小结

4．3．2本章讨论

第五章结论与展望

5．1总结

5．2论文的特色和创新点

5．3存在的问题和未来的展望

5．3．1存在的问题

5．3．2未来的展望

附录

参考文献

博士期间主要科研成果

致谢

作者简介