利用双星和Cluster Ⅱ等对地球磁层的观测和分析研究

摘要

磁层是地球空间环境中非常重要的区域，又是空间物理研究中十分活跃的研究对象。本文主要以分析观测资料为主，同时通过一些数值模拟和反演，对当今磁层物理中相关的热点问题进行分析研究。 根据ClusterⅡ四颗卫星观测资料，重点分析了2001年8月19日2011-2030UT期间的电流片结构。这期间AE指数相对较小(40-130 nT)。发现宁静期间存在双峰电流片，这期间没有明显的高速流，没有明显的电流片振荡。同时，进一步分析双峰电流片中的离子特性发现：质子数密度Np在中性线(=0)附近相对较大，呈非对称性分布；质子温度分布比较均匀；在中性线两侧，质子y方向上的流速Vy方向相反。最后讨论LHDI(低混杂漂移不稳定性)的非线性演化可能是形成宁静期间双峰电流片的主要机制。这些对进一步完善电流片形成机制可能有很重要的意义。 通过分析2003年9月19日的近地磁结构，发现亚暴事件中有多个地向传播的等离子体团和通量绳在近磁尾存在。地向传播的等离子体团是By和Bz分量均呈双极型变化的磁结构。嵌在地向等离子体流中的两个通量绳结构，可以称为“BBF-型”通量绳。基于Bz分量的变化，第一个通量绳结构的直径和持续时间分别是0.7 RE和20 s。而第二个通量绳结构的直径和持续时间分别是1.4 RE和30 s。研究还发现，地向传播的等离子体团和通量绳可能对内磁层的磁场偶极化和电子注入产生影响。地向传播的等离了体团和通量绳可以被解释为多重X-lines重联(MRX)的证据。这与多个尾向等离子体团/通量绳在强地磁活动中重复形成和喷射是一致的。 根据THEMIS卫星观测资料，对2008年3月13日亚暴事件近地等离子体片进行了观测和分析。发现越尾电流减小／中断最先在X～-9.5 RE，y～2.0RE发生，其特征是磁场｜Bx｜突然大幅度下降以及等离子体密度和温度的突然升高，这表明局地等离子体片的迅速膨胀。在等离子体膨胀期间，电流中断在X方向上传播的速度为48 km·s-1且以35 km·s-1的经向速度扩展。在等离子体片内边界，缓慢的磁通量也被观测到。大磁通量堆积在高速流阻塞区被观测到，其特征是磁场Bz和总磁场Bt增强以及等离子体密度、热压Pth和β的下降。在高速流阻塞区，尾向传播的电流中断也被观测到。总之，在近磁尾内边界中的偶极化主要是电流中断造成的，而在高速流阻塞区的偶极化尾向传播主要是磁通量堆积造成的。发生在亚暴膨胀相开始之前的磁场｜Bx｜突然大幅度下降，很难解释是电流中断的尾向传播产生的。磁场位形的急剧变化可能是由于中磁尾(20-30 RE)磁场重联造成的。在亚暴膨胀相开始之前，磁尾重联可能会导致近地磁场位形的突然变化，这可能进一步导致这一区域不稳定性的发生，最终触发电流中断。 根据ClusterⅡ卫星观测资料，对2003年11月20日磁暴主相期间黄昏侧的磁鞘进行观测研究，发现磁鞘中磁场Bz分量大约是-60 nT，这和ACE卫星观测基本一致。同时，磁鞘中离子速度分布对磁鞘中的磁场方向有很强的依赖性。磁鞘中行星际电场Ey大约是50 mV／m。磁鞘中这些极端的磁场、电场和离子流动驱动了迄今23个太阳活动周期中第二大磁暴事件，其Dst指数是-472 nT。研究还发现，磁鞘中离子数密度比较低，这可能是磁云经过地球时太阳风的低密度造成的。磁鞘中能量范围为1-10 keV的H+，He+和He++的数密度主要是由磁鞘中太阳风密度决定的。在极端的南向行星际条件下，磁层顶受到很强的压缩。氧离子可以利用其较大的回旋半径，在压缩的磁层项和磁鞘对流的共同影响下进入磁鞘。这也表明磁层对极端行星际条件的一种响应。ClusterⅡ卫星在2003年11月20日磁暴事件中的观测研究，对进步全面认识大磁暴事件有很重要的作用。 利用2005年5月8日磁暴事件，对反演ENA/NUADU图象得到的离子通量分布和利用CRCM环电流模型得到的离子通量分布进行比较。在1540 UT，对于NUADU第一能道(氢：45-50 keV；氧：92-138 keV)的ENA增强区出现在子夜前。半个小时后(1610 UT)，ENA增强区转移到子夜区。在1540 UT，反演的离子通量峰值位于子夜前，而在1610 UT离子通量的峰值位于子夜区。在L=2到L=4之间的区域，一个环状电流位形基本形成。离子通量峰值大约是2.2×105s-1cm-2sr-1keV-1。反演的离子通量分布很好地反映了NUADU的观测。反演ENA/NUADU数据得到的离子通量分布和利用CRCM环电流模型得到的离子通量分布的比较表明，两种方法在大尺度离子分布位形和离子通量峰值幅度方面是一致的。两种方法的一致性使得我们更有信心利用中性原子成像和数值模拟技术进一步去研究内磁层等离子体分布演化和磁暴期间环电流大尺度动力学问题。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章引言

1.1地球磁层

1.1.1 弓形激波和磁鞘

1.1.2磁层项

1.1.3磁尾

1.1.4辐射带和环电流

1.1.5等离子体片层和等离子体层顶

1.2地球空间探测现状

1.2.1 Cluster Ⅱ介绍

1.2.2双星介绍

1.2.3 THEMIS简介

1.3研究进展和研究目标

1.3.1 Harris电流片和双峰电流片

1.3.2磁岛、磁绳和传输压缩区

1.3.3磁层亚暴及磁层亚暴模型

1.3.4 2003年10-11月日地关系重大事件

1.3.5中性原子仪成像技术的发展

1.4论文创新点

第2章宁静期间双峰电流片的观测研究

2.1概述

2.2分析方法

2.2.1 Timing分析方法

2.2.2求解电流密度的方法

2.3事例分析

2.3.1 2001年8月19日事件

2.3.2 2001年8月31日事件

2.4讨论和结论

第3章地向传播的等离子体团和通量绳的观测研究

3.1概论

3.2 2003年9月19日事件总括

3.3观测和数据分析

3.4讨论和结论

第4章亚暴期间近地等离子体片的多点观测研究

4.1概述

4.2 2008年3月13日亚暴事件

4.3 THEMIS的观测

4.4讨论和总结

4.4.1 电流中断的传播

4.4.2偶极化的尾向传播

4.4.3亚暴的时空演化

第5章2003年11月20日特大磁暴期间磁鞘的观测研究

5.1概述

5.2 2003年11月20日磁暴事件

5.3观测分析

5.4讨论和总结

第6章中性原子仪成像反演与全面环电流模型的比较

6.1概论

6.2数据观测

6.2.1 2005年5月8日磁暴事件

6.2.2 ENA观测

6.3环电流的模拟

6.3.1 CRCM环电流模型[Fok et al.,2001]

6.3.2 2005年5月8日磁暴期间的环电流模拟

6.4离子分布的反演

6.4.1 离子分布的反演方法

6.4.2 2005年5月8日NUADU数据的反演

6.5讨论和结论

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果