行星际磁场扰动的Tsallis统计分布

摘要

行星际太阳风是一个高度非线性,不均匀的开放系统,且在很大范围的空间或时间尺度上具有分形与多重分形结构。对于这样一个处于不平衡态的系统,传统的B—G统计力学一般无法适用。Tsallis统计力学是一种以非广延性熵为基础的广义统计力学,由非广延性熵的表达式所推导出的Tsallis分布函数是对经典B—G统计力学下高斯分布的推广。Tsallis分布函数适用描述处于非平衡态下的复杂系统,如长程相互作用,长程微观记忆,或者具有多分型结构的系统。Tsallis分布函数已经被应用于描述太阳风中速度与磁场强度差值的分布,并被证实适用于很大时间尺度范围。Tsallis分布函数具有两个关键参数ω,q,其中q是刻画系统复杂度以及非广延性的参数。这两个参数能够量化概率分布的形状,使不同条件下的分布可以定量比较。通过对太阳风参数的Tsallis统计分析,可以帮助人们深入认识太阳风扰动的特征及其演化规律。
　　 我们利用分布在不同日心距离的飞船金星快车,ACE,与Ulysses的观测数据,辅以数值模型的模拟结果,研究了行星际磁场在0.72AU、1.0AU等不同行星际空间位置,各种尺度下的dB的分布,以及它们的Tsallis参数,并讨论了Tsallis分布随时间尺度、空间位置以及与太阳周年的变化。
　　 首先我们分别讨论了0.72 AU处,1.0 AU处的磁场强度差值dB相对于时间尺度的变化。讨论的尺度范围包括1小时至170.7天的大尺度与10分钟至42.7小时的小尺度。Tsallis参数随尺度变化在这两个不同的日心距处趋势十分类似。在大部分尺度中,均有q0.72AUω1.0AU,而在小尺度范围中,则正好相反。同时,利用1Hz的金星快车磁场观测数据,我们分析了金星磁鞘内时间尺度为1秒,10秒,60秒的极小尺度下的Tsallis分布,并与金星快车观测到的行星际磁场比较。我们发现,金星磁鞘区的磁场扰动仍然偏离热平衡态,金星磁鞘区内的磁场强度差值分布也服从Tsallis分布。且有磁鞘区内的Tsallis参数ω,q均明显低于太阳风中相应尺度的值
　　 本文还利用ACE1998年至2009年的磁场强度观测,讨论了1.0 AU处Tsallis分布随太阳周年变化的规律。我们发现:Tsallis参数在不同的太阳活动阶段具有相似的随尺度变化的趋势。对于q说,这种趋势较为复杂。q的整体取值范围与太阳活动密切相关:在太阳活动峰年,整体取值最高,在太阳活动低年,整体取值最低。ω则没有类似的规律,它整体偏高或偏低都出现在太阳活动下降阶段。ω随尺度的变化也具有固定的趋势,在从1小时至64小时的尺度上,ω随尺度的增加单调增加,在64小时至170.7天的尺度上,它几乎不随尺度的变化而变化。
　　 最后,我们讨论了Tsallis分布在行星际空间的演化,包括随日心距和太阳纬度的变化规律。我们把Ulysses2007年的磁场观测,按它所处的太阳纬度分为两部分。在黄道面的数据段用以比较黄道面附近Tsallis参数随日心距变化的规律,高纬区域的数据段辅以模型的模拟值,以探讨纬度因素的影响。在黄道面附近,q随日心距的增加而增加,湍流在传播的过程中增强的间歇性,在这一区域内产生的大量的激波,可能是导致这一参数变化的因为。ω随日心距的增加而减小,反映了扰动随日心距的增加其幅度不断减小。随着纬度的增高,q的值逐渐降低,在各个尺度上扰动的间歇性减弱。扰动幅度的变化则与尺度有关。在较小的尺度范围1hour

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第一章 引言

1.1 太阳风与行星际磁场概述

1.2 行星际太阳风扰动概述

1.3 对太阳风扰动的分析方法

1.3.1 事件分析方法

1.3.2 统计分析方法

1.4 非广延性熵与Tsallis统计力学

1.4.1 Tsallis统计力学的提出

1.4.2 Tsallis分布函数

1.5 Tsallis分布函数在太阳风扰动问题中的研究现状

1.6 本文的研究目标

1.7 本章小结

第二章 数据统计分析方法

2.1 行星际空间探测飞船

2.1.1 金星快车(Venus Express)

2.1.2 ACE(Advanced Composition Explorer)

2.1.3 Ulysses

2.2 数据段的选取与差值PDF的计算

2.3 Tsallis分布函数对PDF的拟合

2.4 本章小结

第三章 0.72 AU处的行星际磁场Tsallis分布

3.1 金星快车在0.72 AU处的观测

3.2 太阳活动谷年年附近,0.72 AU处大尺度行星际磁场dB的Tsallis分布

3.3 2007年,0.72 AU处小尺度dB的Tsallis分布

3.4 金星磁鞘区的小尺度磁场扰动分布

3.4.1 金星磁场与太阳风的相互作用

3.4.2 金星磁鞘区与太阳风中磁场B的分布及dB的分布的对比

3.4.3 金星磁鞘区中向日侧与背日侧磁场dB分布的对比

3.5 小结

第四章 在1.0AU处行星际磁场的Tsallis分布

4.1 2003年太阳活动下降阶段,在1.0 AU附近的Tsallis分布,以及它与既有研究结果的比较

4.2 太阳活动极小年附近,1.0 AU处大尺度dB的Tsallis分布

4.3 2007年,1.0 AU处小尺度dB的Tsallis分布

4.4 1.0 AU处大尺度磁场扰动的Tsallis分布随太阳活动周年变化

4.5 小结

第五章 Tsallis分布在行星际空间的演化

5.1 大尺度Tsallis分布在黄道面附近随日心距的演化

5.1.1 2007年Ulysses在黄道面附近的磁场观测

5.1.2 大尺度Tsallis分布从0.72AU到～1.4 AU的演化

5.2 大尺度Tsallis分布随太阳纬度变化的规律

5.2.1 CW Model简介

5.2.2 日纬因素对Tsallis分布的影响

5.3 小结

第六章 总结

参考文献

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