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地球磁尾动力学过程的卫星观测和数值模拟研究

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地球远磁尾中的磁场重联(Ⅰ)流动撕裂模不稳定性

丛书名：武汉大学优秀博士学位论文文库

2015年

作者：周猛

地球磁尾是地球磁层的重要组成部分。许多发生在磁尾的爆发性现象对人类的生活有重大影响，比如磁暴产生的高能粒子能损坏近地空间的人造卫星。另外，磁尾还是人类研究等离子物理的天然实验室。论文结合卫星观测和数值模拟，对发生在地... 详细信息

ISBN: (数字)9787307148475

ISBN: (纸本)9787307148475

地球磁尾是地球磁层的重要组成部分。许多发生在磁尾的爆发性现象对人类的生活有重大影响，比如磁暴产生的高能粒子能损坏近地空间的人造卫星。另外，磁尾还是人类研究等离子物理的天然实验室。论文结合卫星观测和数值模拟，对发生在地球磁尾的多尺度动力学过程进行了研究，主要讨论了波粒相互作用，离子和电子加速过程。主要内容和成果包括：磁场重联扩散区内不同类型波动的特征；扩散区内磁零点结构的局地观测，以及对应的电子动力学；亚暴注入过程中的离子加速机制；伴随偶极化锋面的波动和动力学尺度结构。

关键词：地球动力学磁尾数值模拟研究

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地球物理学报 1991年第6期34卷 663-671页

作者：王水郑惠南中国科学技术大学合肥230026

本文数值研究了地球远磁尾中流动撕裂模不稳定性所引起的磁场重联过程.结果表明,在短暂的指数增长之后,当磁岛宽度接近等离子体片厚度时,流动撕裂模不稳定性的增长率大大降低,最终磁岛宽度趋于饱和.磁岛的饱和宽度随着磁Reynolds数S的... 详细信息

本文数值研究了地球远磁尾中流动撕裂模不稳定性所引起的磁场重联过程.结果表明,在短暂的指数增长之后,当磁岛宽度接近等离子体片厚度时,流动撕裂模不稳定性的增长率大大降低,最终磁岛宽度趋于饱和.磁岛的饱和宽度随着磁Reynolds数S的增大而减小,随着剪切流动层宽度δV的增大而增加.在S→∞的情况下,流动撕裂模将退化为流动颈缩模,磁场重联不再发生.当飞船通过由流动撕裂模不稳定性所形成的磁岛时,即可观测到磁场B_z分量由北转南或由南转北的现象.

关键词：地球磁场重联磁尾稳定性

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磁尾磁通量绳复杂核心场结构的观测研究

磁尾磁通量绳复杂核心场结构的观测研究

作者：王洋中国科学技术大学

学位级别：硕士

日地空间经常发生爆发式的能量释放过程,例如地球磁层亚暴、太阳耀斑等。目前,研究者普遍认为这些爆发式地能量释放过程主要由磁场重联产生的。伴随着这些能量爆发过程,经常可以观测到小尺度的螺旋性磁场结构,称之为磁通量绳。目前的观... 详细信息

日地空间经常发生爆发式的能量释放过程,例如地球磁层亚暴、太阳耀斑等。目前,研究者普遍认为这些爆发式地能量释放过程主要由磁场重联产生的。伴随着这些能量爆发过程,经常可以观测到小尺度的螺旋性磁场结构,称之为磁通量绳。目前的观测表明,磁通量绳在爆发式能量释放过程中也扮演着重要的作用,比如可以提高重联率、加速粒子等。本文通过分析Cluster卫星在地球磁尾的观测数据,详细研究了磁场重联附近的磁通量绳结构,深入研究了一例复杂核心场磁通量绳事例,并对该复杂核心场给出了合理的物理解释。2002年8月28日0950-1050UT，Cluster卫星在地球磁尾观测一例磁场重联事例。卫星穿越该重联事例过程中,观测到清晰的Hall四极型磁场,由于引导场的存在,该四极型结构被扭曲。对整段事例分析后发现,该事例中存在多个磁通量绳结构、部分磁通量绳的核心场极性和引导场极性一致。其中一例磁通量绳的空间尺度和卫星间距相当,四颗卫星分别穿越了磁通量绳内部不同区域。对四颗卫星的数据分别研究发现,该磁通量绳内部存在复杂的核心场结构。靠近磁通量绳中心,核心场的极性和引导场极性一致;而在磁通量绳边界处,核心场极性和背景磁场极性一致。这种复杂的核心场结构表明,磁通量绳可能是弯曲的。利用Cluster卫星的粒子数据,我们发现电子在磁通量绳内部呈各向异性分布,场向电子通量大于垂直场向的通量。通过电子分布,我们推测在磁通量绳内部存在复杂的电子电流。利用卫星数据分析法,我们推断弯曲的磁通量绳产生了观测到的复杂的核心场结构。

关键词：磁尾磁通量绳核心场导向场

基于ARTEMIS卫星的远磁尾等离子体和磁场特征的观测研究

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基于ARTEMIS卫星的远磁尾等离子体和磁场特征的观测研究

作者：姚文杰哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

在太阳风和地球磁层耦合过程中进入磁层的能量可以被剧烈地耗散掉,从而在磁层和电离层中产生强烈的扰动。这些扰动可能导致高纬度地区无线通讯的中断,以及地球同步轨道上的卫星充电等效应,因此研究磁层具有一定的应用价值。地球磁尾是... 详细信息

在太阳风和地球磁层耦合过程中进入磁层的能量可以被剧烈地耗散掉,从而在磁层和电离层中产生强烈的扰动。这些扰动可能导致高纬度地区无线通讯的中断,以及地球同步轨道上的卫星充电等效应,因此研究磁层具有一定的应用价值。地球磁尾是太阳风与磁层相互作用过程中的能量注入、储存和耗散的重要区域。远磁尾电流片在磁层亚暴期间的质量、能量和磁通量的输运过程中发挥着重要作用。但相对于广泛研究的中磁尾电流片,XGSM磁尾等离子体和场的统计特征依然不明确。本论文使用ARTEMIS卫星和OMNI数据库从2010到2011年的数据,在统计上研究了不同行星际磁场和地磁倾角条件下,X∈(-190,-30)RE的远磁尾电流片位形和磁场分布。从地球观察,(1)当IMF指向昏侧(晨侧)时,电流片逆时针(顺时针)扭转;(2)当IMF晨昏向分量很小时,电流片扭转并不明显;(3)相比于昏向IMF,晨向IMF对电流片的扭转更明显;(4)IMF北向分量越大,且存在晨向分量时电流片扭曲越明显;(5)南向IMF条件下尾瓣平均磁场强度会更强;(6)晨昏向IMF条件下尾瓣平均磁场强度会更强。此外,在统计上研究了地磁倾角x对电流片位形和磁场分布的响应:(1)对于x>0,电流片会向北弯曲;而对于x磁倾角下的弯曲程度比在小磁倾角下更显著。使用从ARTEMIS卫星2010-2011年观测数据中筛选的459例宁静等离子体片事件和408例高速流事件,在统计上研究了远磁尾等离子体片在宁静和高速流时期,离子密度、温度和速度的南北分布。(1)宁静等离子体片中心的平均离子密度、温度,分别约为0.15 cm-3、1000 eV;(2)地向流在等离子体片中心的平均离子密度、温度和速度分别约为0.12 cm-3、1200 eV和107 km/s。(3)尾向流在等离子体片中心的平均密度、温度、速度分别约为0.13 cm-3、1400eV、-100km/s;(4)高速流的垂直速度在等离子体片中心占比更高;(5)高速流的平行速度在等离子体片南北边缘占比更高。另外,我们对ARTEMIS双卫星同时观测的7例高速流事件的空间尺度进行了估算。高速流的空间尺度在晨昏方向为3-24 RE,在南北方向上为0.2-1.6RE。远磁尾高速流的晨昏方向空间尺度比近中磁尾的更大,说明远磁尾重联中性线的晨昏延展可能比近地中性线更长。

关键词：太阳风地磁倾角磁尾电流片高速流

地球磁尾动理学尺度磁洞和偶极化锋面的观测研究

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地球磁尾动理学尺度磁洞和偶极化锋面的观测研究

作者：贺玲会武汉大学

学位级别：硕士

地球磁尾是地球磁层的重要组成部分,也是人类研究等离子体物理的天然实验室。受限于卫星数据的精度,过去的研究对象主要为大尺度,即磁流体力学尺度磁结构。随着卫星探测技术以及信息处理技术的快速发展,小尺度即动理学尺度磁结构受到了... 详细信息

地球磁尾是地球磁层的重要组成部分,也是人类研究等离子体物理的天然实验室。受限于卫星数据的精度,过去的研究对象主要为大尺度,即磁流体力学尺度磁结构。随着卫星探测技术以及信息处理技术的快速发展,小尺度即动理学尺度磁结构受到了越来越多的关注。磁洞(MH)和偶极化锋面(DF)都是广泛存在于磁尾的磁结构,其中动理学尺度磁洞(KSMH)被认为能够有效地影响电子动力学过程以及等离子体与场之间的能量交换,同时偶极化锋面在能量交换和电子加速方面发挥着重要作用,是亚暴的重要组成成分。本文主要基于MMS卫星高精度数据对动理学尺度磁洞和偶极化锋面进行观测研究,包括磁尾等离子体片中动理学尺度磁洞事件发生率的分布情况,磁洞中的电子特性和伴随的波动现象,并简要讨论了磁洞的激发机制;研究了偶极化锋面事件的空间分布,传播特性以及其与磁尾等离子体流的速度关系。对动理学尺度磁洞和偶极化锋面的特性进行观测研究,认识二者的动力学过程,对了解磁尾能量传输以及粒子动态有着重要意义。本文首先利用MMS卫星计划的高时间精度的场和等离子体观测数据,对地球磁尾等离子体片中的动理学尺度磁洞进行了统计研究,这种类型磁洞的尺度通常小于一个质子回旋半径(ρ)。我们的统计研究发现,磁尾等离子体片中动理学尺度磁洞的出现存在晨昏不对称性分布(昏侧分布较多),这可能是由于Hall效应导致。大部分这类小尺度结构(71.7%)的出现伴随着亚暴,这意味着亚暴可能为动理学尺度磁洞的产生提供了有利的条件。然而,研究发现这类磁洞的出现同磁场重联有着较弱的相关性。同时更细致的统计发现大部分磁洞事件中电子总温度和垂直温度上升,而电子平行温度降低,72%的磁洞事件中观测到电子温度各向异性(T/T>1)。此外,在所统计的磁洞事件中存在不少伴随哨声波的事件,并且大部分(92%)伴随哨声波的磁洞事件中存在电子垂直分布增强并且满足哨声波不稳定性的条件,这表明由电子温度各项异性当地激发的电子尺度哨声波可以和电子尺度磁洞耦合在一起。观测到的磁洞事件以及它们和电子尺度哨声波耦合在一起的特征,与湍流磁鞘中的研究具有一致性,表明这种现象在空间等离子体中具有普适性。通过对动理学尺度磁洞激发机制的研究,发现等离子体片中动理学尺度磁洞的产生可以用电子涡旋磁洞,磁声孤子,或膨胀/交换不稳定性来解释。然后关于地球磁尾偶极化锋面的观测研究,我们选用MMS卫星运行至磁尾期间(2017年5月–2017年9月)的观测数据,主要对地球磁尾等离子体片中等离子体流与偶极化锋面之间的速度关系进行了观测研究,共计挑选了48个地向传播的偶极化锋面事件。使用Timing分析法计算偶极化锋面的运动法向速度(V)和运动方向,当地等离子体流的速度(V)和运动方向则通过MMS卫星测得。通过分析发现,在大部分事件中,偶极化锋面的法向速度大于等离子流速度,意味着偶极化锋面在地向传播过程中会受到来自等离子体流的动压作用力。且等离子体流速度与偶极化锋面速度在晨昏方向和南北方向上的整体运动趋势相反,表明等离子流动压对偶极化锋面传播方向的偏转起到一定作用。我们把V和V比值在0.6至1.5之间,并且V与V夹角在0至35°之间的事件定义为偶极化锋面与等离子体流冻结在一起运动的事件(共同运动事件),共挑选出14个偶极化锋面与等离子体流共同运动的事件,占总事件的29.2%。将所有偶极化锋面事件分为growing,steady,decaying三种类型分别进行统计研究,发现在growing类型事件中共同运动事件占比30%,在steady类型事件中共同运动事件占比为29.4%,在decaying类型事件中共同运动事件占27.3%。同时发现在steady事件中等离子体流速度和偶极化锋面传播速度比其他两种类型偶极化锋面速度更小。

关键词：磁尾动理学尺度磁洞偶极化锋面

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地球磁尾等离子体片中粒子参数统计研究

地球磁尾等离子体片中粒子参数统计研究

作者：陈洋军哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

爆发性高速流(Bursty Bulk Flows,简称BBFs)是地球磁尾等离子体片(Plasma Sheet,简称PS)中的地向高速等离子体喷流,在磁层中的物质和能量的输运过程中起着关键作用,一直都是磁层物理研究的重点对象。因受限于早期卫星的等离子体探测精... 详细信息

爆发性高速流(Bursty Bulk Flows,简称BBFs)是地球磁尾等离子体片(Plasma Sheet,简称PS)中的地向高速等离子体喷流,在磁层中的物质和能量的输运过程中起着关键作用,一直都是磁层物理研究的重点对象。因受限于早期卫星的等离子体探测精度太低,目前对爆发性高速流中的粒子特征依然有待深入研究。我们利用美国航天局最新的THEMIS(Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms)卫星在2008年和2009年的一月到四月和MMS(Magnetospheric Multiscale)卫星在2017年和2018年五月到八月对地球磁层的高精度观测数据,挑选出了315个爆发性高速流事例,开展对爆发性高速流等离子体参数的统计研究,主要结果如下:当AE指数越大,爆发性高速流的发生率也越大;相比于BBFs前的宁静等离子体片,大约有41%的BBFs比宁静等离子体片的密度低、温度高,大约有16%的BBFs比宁静等离子体片的密度高、温度低,其它的BBFs类型大约有44%;BBFs的离子密度在晨侧和昏侧接近,无明显的区别;BBFs的离子温度在昏侧比晨侧更高,且刹车区内离子温度比中磁尾更高;在离子温度与电子温度的比值的统计结果发现离子温度与电子温度具有相关性,当T2ke V时,离子温度减少,但电子温度增加。同时,电子温度小于0.5ke V,T/T的值在4之上,电子温度T在0.5至2ke V之间,T/T的值在2～4之间。当电子温度T大于2 ke V,T/T越来越接近1。

关键词：等离子体片磁尾爆发性高速流晨昏不对称性温度各向异性

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地球磁尾和磁层顶磁场变化的随机特性

地球物理学报 1990年第6期33卷 621-628页

作者：沐建林蔡诗东中国科学院物理研究所北京100080

本文讨论了平板模型下电阻不稳定性使磁力线由对称平衡状态进入随机状态的可能性;给出该模型下以(x,z)为正则坐标的哈密顿函数表达式;在Harris平衡磁场分布下分析了撕裂模不稳定性,驱动重联和涡旋诱发重联引起的磁力线随机特性;估计了... 详细信息

本文讨论了平板模型下电阻不稳定性使磁力线由对称平衡状态进入随机状态的可能性;给出该模型下以(x,z)为正则坐标的哈密顿函数表达式;在Harris平衡磁场分布下分析了撕裂模不稳定性,驱动重联和涡旋诱发重联引起的磁力线随机特性;估计了两个磁岛相互作用时磁力线进入随机态的临界值.本文结果可用于讨论地球磁层顶和磁尾处磁场的性质.

关键词：地球磁尾磁层磁力线随机性

磁场偶极化过程中磁尾的电离层离子加速:Ⅰ离子分布函数的演化

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地球物理学报 2000年第1期43卷 11-18页

作者：史建魁刘振兴中国科学院空间科学与应用研究中心北京100080

采用动力学方程，对亚暴期间磁尾磁场向偶极形弛豫过程中离子分布函数的演化进行了模拟研究，主要结果为：（１）初始时刻分布函数为相对于速度呈指数下降的离子束，在随时间变化过程中，逐渐变为相对于速度（包括平行和垂直速度）的单... 详细信息

采用动力学方程，对亚暴期间磁尾磁场向偶极形弛豫过程中离子分布函数的演化进行了模拟研究，主要结果为：（１）初始时刻分布函数为相对于速度呈指数下降的离子束，在随时间变化过程中，逐渐变为相对于速度（包括平行和垂直速度）的单峰结构，且单峰在速度空间的位置随时间的变化而向高速方向移动；（２）在速度空间中平行于磁场方向上单峰向高速方向移动得较慢，在垂直方向上移动得较快；（３）轻离子分布函数峰值的位置较重离子随时间的变化向高速方向移动较快。（４）初始能量较高时，离子分布函数的单峰位置向高速方向移动较快。（５）离子团在磁场偶极化过程中表现为一束地向流．本文还对上行离子受感应电场的加速进行了讨论．

关键词：电离层分布函数磁尾磁场离子偶极化过程

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磁尾瓣区的场向电流

空间科学学报 1988年第4期 293-301页

作者：吴寄萍林锦云中国科学院空间科学与应用研究中心中国科学院空间科学与应用研究中心北京

本文利用ISEE-2卫星的磁场和粒子资料(电子:75keV磁尾远离等离子片的尾瓣区,常常同时探测到粒子脉冲和横向磁场扰动,表明有场向电流片存在。电流片的积分强度在3.3—21mA/m之间,与Frank等在... 详细信息

本文利用ISEE-2卫星的磁场和粒子资料(电子:75keV磁尾远离等离子片的尾瓣区,常常同时探测到粒子脉冲和横向磁场扰动,表明有场向电流片存在。电流片的积分强度在3.3—21mA/m之间,与Frank等在磁尾等离子片边界上测量到的场向片电流积分强度可相比较。电流片总是成双成对,电流片的强度与AE指数或亚暴的关系密切。和磁层其他区域不同,在磁尾瓣区,经常探测到△Bx和△By同时存在,且△Bx和△By可相比拟的情形,它们可以用运动的线电流或不均匀密度的电流片来解释。

关键词：场向电流边界磁尾磁层等离子片瓣区