金星激波及其前兆激波中的超低频波动

摘要

无碰撞激波是空间等离子体物理及天体物理中重要的研究课题之一。行星前兆激波中相关的波动也是空间物理中重要的研究方向。在把上游太阳风的动能转化成激波下游热能方面，行星激波起着重要的作用。激波可以反射部分太阳风粒子到上游，并且这部分粒子可以与上游太阳风粒子驱动束流不稳定性来激发大量前兆激波波动。这两个过程对研究波粒相互作用及高能粒子的产生有着重要意义。金星尺寸与地球差不多，但是没有内禀磁场，金星激波在尺度上不及地球激波的十分之一，金星大气中的粒子（中性粒子和光致电离产生的离子）更容易逃逸到激波上游，从而影响激波及前兆激波中波动的特征。本文主要通过对金星快车观测的磁场数据的分析和研究，得到了以下一些结果。
　　1.磁场共面法和最小方差分析(MVA)法在确定激波法向过程中的对比研究
　　利用金星快车观测的磁场数据，我们分析和测试了磁场共面法和MVA方法在确定激波法向方面的有效性。我们发现MVA方法比磁场共面法在确定金星激波法向上更有效，观测到的金星激波中有95％的事例可以通过MVA方法准确确定。另外，随着激波事例太阳天顶角(SZA)的减小，磁场共面法的有效性降低。同时，相对于准平行激波事例，磁场共面法在确定准垂直激波法向的有效性更低一些。而MVA方法在这两方面没有显著的差别。
　　2.不同太阳活动期对应的金星激波位形
　　由于金星没有内禀磁场，所以金星激波的尺度远小于地球激波的尺度，因而金星大气层中的粒子（中性粒子和光致电离产生的离子）更容易逃逸到激波上游，不同时期的太阳活动，光致电离产生离子的效率也不同。金星激波的这一特别物理特点给我们提供了研究新生离子对激波结构影响的环境。我们利用金星快车观测到金星激波上下游磁场的强度，对比了不同太阳活动时期，金星激波上下游磁场强度压缩比，我们发现当太阳活动强度高时，金星激波磁场压缩比小，当太阳活动强度低时，金星激波磁场压缩比就大。这一观测研究结果间接证实了金星磁场压缩比与太阳活动强度的反相关关系与新生离子有关。金星激波位置受到一些因素的影响，包括短周期变化的因素如太阳风动压(Solarwind dynamic pressure)，和长周期变化的因素如太阳活动（Solar activity）。根据金星快车观测到的磁场数据，利用三参数拟合方法(Three-parameter fit)，我们准确的拟合了金星激波日下点和晨昏分界处的高度，从而研究了不同太阳活动期对金星激波位置的影响。另外，由于金星快车比金星先锋号(PioneerVenus Orbiter)覆盖的金星激波天顶角范围更大，所以拟合结果会比利用金星先锋号得到的结果更全面，更准确。从我们拟合的结果看，金星激波到金星的距离在太阳活动高年比低年更远。其中日下点距离在太阳活动低年是1.364 Rv，到太阳活动高年则增加到1.459 Rv。同一过程中，晨昏分界处激波的高度由2.087 Rv增加到2.146 Rv。我们分析了金星激波高度与诱发磁层边界高度变化对应的关系，发现它们的变化是正相关的。除此之外，利用太阳风动压的替代量（a proxy for the solar wind dynamic pressure），我们考虑了太阳风动压可能的影响，在我们的研究中发现金星激波位置的变化与太阳风动压没有明显的对应关系。
　　3.金星激波附近及前兆激波(Venusian foreshock)中的超低频波动
　　在行星激波的前兆激波区存在大量的大幅值超低频波动(ultra-lowfrequency wave)。这些波动被认为是由被激波反射的太阳风离子产生的束流不稳定性所激发的。通过研究了金星激波附近磁场数据，我们在金星激波上下游同时发现了5个大幅值准单色超低频波(large-amplitude quasi-monochromaticULF waves)，通过分析发现其在卫星坐标系下频率为0.04-0.05 Hz，并且金星激波上下游都有这种波动。我们对其上下游波动频谱和极化分析，发现上下游波动的特征（频率，传播方向和磁场夹角，极化率）都很相似。因此，我们认为，这些波是由激波反射太阳风离子驱动束流不稳定性产生的磁声波。除此之外，利用IDL编译的自动识别程序，大量的金星前兆激波区的超低频波动被识别出来。我们对金星前兆激波区的超低频波进行了深入的研究，发现大多数波动周期为20-30 s;在波的能谱方面，其垂直磁场方向的功率谱占主要成分;这些超低频波呈现出椭圆极化或接近圆极化，以及斜传播的特征，其传播角主要范围是10°-30°;另外我们对波幅进行了分析，其垂直背景磁场的波幅占主导。之后，我们尝试确定了金星前兆激波中超低频波动的边界(foreshock ULF waveboundary)。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 太阳风与金星相互作用

1．1．1 金星观测

1．1．2 金星舷激波及新生离子

1．2 金星激波附近的波动

1．2．1 金星舷激波上游波动

1．2．2 金星舷激波下游的波动

1．3 小结

第2章 确定激波法向方法的对比研究

2．1 确定激波法向的方法

2．1．1 磁场共面法

2．1．2 最小方差法

2．2 确定金星激波法向

2．3 小结

第3章 太阳活动高低年金星激波磁压缩比及激波位置

3．1 金星激波磁场压缩比

3．1．1 金星激波事例

3．1．2 太阳活动高低年金星激波磁场压缩比的统计

3．1．3 影响金星激波磁场压缩比的因子

3．2 太阳活动高低年对应的金星激波位形

3．2．1 先前金星激波位置的观测及激波模型

3．2．2 金星激波的拟合

3．2．3 对金星激波位形影响因素的分析

3．3 小结

第4章 金星激波附近及前兆激波中的超低频波动

4．1 穿越金星激波的ULF波事件

4．1．1 对ULF波的特征分析

4．1．2 穿越金星激波ULF波分析结论

4．2 前兆激波中的ULF波

4．2．1 金星前兆激波中ULF波的选择

4．2．2 金星前兆激波中ULF波的统计特征

4．3 金星前兆激波中的ULF波边界

4．3．1 金星前兆激波中ULF波边界的选择

4．3．2 金星前兆激波中ULF波边界的确定

4．4 小结

第5章 总结

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果