日侧极向运动极光结构的观测特征及其产生机制研究

摘要

太阳风能量和动量可以通过日侧极隙区直接注入到地球磁层，不同能量的沉降粒子可以沿着磁力线直接映射到极区电离层，激发出各种不同的瞬态极光现象。通过对日侧极光的光谱、强度和动力学特征的研究，寻找与磁层边界层之间的内在联系，进而可以反映日侧磁层的动力学过程。
　　本文通过分析中国北极黄河站高分辨率的地基多波段极光观测数据，并结合太阳风和粒子的探测卫星和地基雷达的协同观测数据，详细研究了日侧极光的光谱、形态和运动特征，尤其详细阐述了“极向运动极光结构(PMAFs)”的观测特征及其产生机制。主要结果归纳如下:
　　1)利用2003-2009年的北极黄河站极光观测，结合DMSP卫星粒子沉降探测，对磁正午附近的极光强度与沉降粒子沉降能量之间的关系进行了定量研究。统计结果表明，在10-13MLT，630.0nm的极光发光占主导，以低能粒子沉降为主;而在13-14MLT，(I)(630.0nm)/(I)(427.8nm)极光强度比值降低，沉降粒子能量较高。另外，利用极光强度与沉降电子的能通量以及极光强度比值与平均能量之间的函数关系，初步建立了北极黄河站磁正午附近极光强度与沉降粒子能量关系的反演参数模型，为空间天气的监测提供服务。
　　2)联合地基极光、ESR和SuperDARN雷达等观测，研究了发生在2003年12月22日0900-1010UT时间段内极区电离层极光和等离子体的变化特征。结果表明，在不同行星际磁场(IMF)条件下，黄河站极光ASI均观测到了一系列PMAFs，且这些PMAFs都伴随有明显的粒子沉降特征。在IMF北向时，该粒子沉降能达到更低的电离层E区，而此时PMAFs相应位置的高纬电离层出现了一个典型反向对流涡，这是高纬（尾瓣）重联的典型特征之一，这些结果表明北向IMF条件下的这些PMAFs与高纬重联有关。而在IMF南向时，黄河站观测到的PMAFs可跨越更广的地磁纬度，表明其演化时间亦较长，其相应区域的电离层特征也表明该PMAFs由日侧磁层顶低纬磁重联所产生。
　　3)利用北极黄河站6年高分辨率的地基多波段极光观测数据，统计研究了PMAFs与太阳风和IMF条件的依赖性关系。统计结果表明PMAFs大多发生在南向IMF条件下，并且大的IMF|Bx|更易触发PMAFs。从PMAFs发生率随MLT的分布以及对IMF的响应看，PMAFs在磁正午附近存在个弱的活动区，且呈现出与IMFBy有关的午前-午后的不对性分布。我们首次发现这种与IMFBy有关的午前．午后不对性在Bz正向比Bz负向时更明显，这可能与尾瓣重联有关。午前扇区和午后扇区的PMAFs的分布峰值在IMF时钟角90°和270°附近，这对应着午前/午后的反平行重联，而在磁正午扇区的PMAFs可能对应日下点的分量重联。统计结果还表明PMAFs不太可能是由太阳风动压脉动引起的，更可能是由脉动重联引起的。
　　4)更进一步地，我们统计分析了稳定IMF条件下的PMAFs的位置分布与IMFBz和By分量的依赖性关系。我们发现大多数PMAFs发生在南向IMF条件下，而发生的地磁纬度也更低，且PMAFs呈现的与IMFBy有关的午前．午后的不对性分布在Bz＞0比Bz＜0时更明显。在Bz＜0时，PMAFs分布覆盖的MLT扇区更广泛，这些表明重联X线可能呈现“S”型分布;然而，在Bz＞0，PMAFs在By＞0时主要分布午前扇区，而在By＜0时主要发生在午后，这可能与高纬重联的效应有关，这些结果与电离层对流的理论模型很大程度上是一致的。
　　本文对PAMFs的观测特征和产生机制进行了系统研究，揭示了一些新特征，并对PMAFs的产生机制形成了一些新的认识。但是由于日侧PMAFs及其动力学过程的复杂性，PMAFs的精细结构，详细的演化过程以及伴随的极区电离层响应等仍有待进一步深入研究。

目录

作者简介

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摘要

第一章 绪论

§1．1 日地耦合系统

§1．1．1 太阳风和行星际磁场

§1．1．2 磁层和磁层顶边界层

§1．1．3 磁重联

§1．1．4 极区电离层

§1．2 日侧极光现象及其特征

§1．2．1 日侧极光及其形态结构

§1．2．2 极光粒子沉降

§1．3 极向运动极光结构的国内外研究进展

§1．3．1 极向运动极光结构与磁层边界层过程

§1．3．2 极向运动极光结构的统计研究现状

§1．3．3 极向运动极光结构的研究进展

§1．4 极光观测及其原理

§1．4．1 光学观测及其多波段原理

§1．4．2 雷达观测

§1．4．3 卫星探测

§1．5 论文的主要内容

§1．6 论文的创新点

第二章 日侧极光的多波段观测及能量特征研究

§2．1 日侧极光的粒子沉降特征

§2．2 极光强度与沉降粒子能量特征的关系

§2．3 数据和反演参数模型的建立

§2．3．1 数据选取

§2．3．2 反演参数模型的建立

§2．4 统计结果与讨论

§2．4．1 磁正午附近427．8nm与630．0nm极光强度的关系

§2．4．2 磁正午附近Ⅰ(630．0nm)／Ⅰ(427．8nm)与Ⅰ(427．8nm)的关系

§2．4．3 Ⅰ(427．8nm)与沉降电子能通量的关系

§2．4．4 Ⅰ(630．0nm)／Ⅰ(427．8nm)与沉降电子平均能量之间的关系

§2．5 本章小结

第三章 极向运动极光结构的协同观测

§3．1 引言

§3．2 2003年12月22日事例分析

§3．2．1 行星际磁场和太阳风条件

§3．2．2 光学观测特征

§3．2．3 ESR雷达观测的等离子体特征

§3．2．4 SuperDARN雷达观测的电离层对流特征

§3．2．5 讨论和小结

§3．3 2004年01月03日事件分析

§3．3．1 行星际磁场和太阳风条件

§3．3．2 光学观测特征

§3．3．3 SuperDARN雷达观测的南北极电离层特征

§3．3．4 讨论和小结

§3．4 本章小结

第四章 极向运动极光结构的统计研究

§4．1 引言

§4．2 事件选取及统计方法

§4．2．1 事件选取

§4．2．2 统计方法的建立

§4．3 统计结果

§4．3．1 PMAFs与行星际磁场的关系

§4．3．2 PMAFs与太阳风动压变化的关系

§4．3．3 PMAFs的MLT和IMF调制作用

§4．3．4 不同MLT扇区的PMAFs分布

§4．4 讨论

§4．5 本章小结

第五章 极向运动极光结构与电离层对流的关系

§5．1 引言

§5．2 事件选取及统计方法

§5．3 统计结果

§5．3．1 PMAFs的IMF调制作用

§5．3．2 PMAFs的发生位置与IMF Bz的关系

§5．3．3 PMAFs分布与电离层对流的关系

§5．4 讨论

§5．4．1 稳定南向IMF时的PMAFs与低纬重联

§5．4．2 稳定北向IMF时的PMAFs与高纬重联

§5．5 本章小结

第六章 极向运动极光结构的产生机制探究

§6．1 极向运动极光结构的观测特征

§6．1．1 PMAFs的粒子沉降特征

§6．1．2 PMAFs的运动特征

§6．1．3 PMAFs与其它电离层瞬态结构的关系

§6．2 极向运动极光结构的产生机制探究

§6．2．1 PMAFs的主要产生机制

§6．2．2 南向IMF条件下的PMAFs

§6．2．3 北向IMF条件下的PMAFs

§6．3 本章小结

第七章 总结与展望

§7．1 工作总结

§7．2 对极光观测研究的展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间论文完成情况