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磁层顶三维数值模型

磁层顶三维数值模型

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作者：刘子谦郑州大学

学位级别：硕士

Shue et al.[1997]模型中提出了一个数学函数：其中(r,θ)是磁层顶的空间参数,用来表示磁层顶的位置。r是特定θ角下地球中心到磁层顶的连线距离,θ角是此连线和日地连线的夹角。(r0,α)是磁层顶的位形参数,用来描述磁层顶的尺度和形状... 详细信息

Shue et al.[1997]模型中提出了一个数学函数：其中(r,θ)是磁层顶的空间参数,用来表示磁层顶的位置。r是特定θ角下地球中心到磁层顶的连线距离,θ角是此连线和日地连线的夹角。(r0,α)是磁层顶的位形参数,用来描述磁层顶的尺度和形状。r0是日下点距离,表示地球中心到日下点的距离即磁层顶尺度,α是磁层顶张角,表示磁尾闭合或张开的特性即磁层顶形状。由Shue97模型可知,日下点距离r0和张角α是太阳风条件(太阳风上游地区的行星际磁场南北分量BZ和太阳风动压DP)的函数。本文使用的资料是全球太阳风-磁层-电离层MHD模拟数据,利用太阳风流线方法判断磁层顶,以Shue97模型为基础研究三维情况下磁层顶位形参数和太阳风条件的关系,并给出磁层顶三维数值模型。因为Shue97模型是二维模型,所以我们在空间参数(r,θ)基础上加入方位角φ把二维磁层顶模型扩展到三维。磁层顶位形参数(r0,α)不仅是太阳风条件(BZ,DP)的函数,首先是方位角φ的函数。(r0,α)的函数形式是：系数(a0,a2;b0,b2)和φ无关,只是太阳风条件的函数,根据Shue97模型中(r0,α)的函数形式可知(a0,a2;b0,b2)的函数形式是：这样我们就得到了一个磁层顶三维模型,可以计算任一太阳风条件下的磁层顶三维形状。根据本文模型计算赤道面磁层顶位形参数(r0,α)和太阳风条件(BZ,DP)的关系。Bz北向增大时,r0略微增大,α减小;BZ南向增大时,r0略微减小,α减小。DP增大时,r0明显减小,r0和DP是幂函数关系,α几乎不变。磁场主要影响磁层顶形状,动压主要影响磁层顶尺度。总体来说赤道面磁层顶形状随太阳风条件的变化不大,说明赤道面磁层顶具有较强的自相似性。根据本文模型计算子午面磁层顶位形参数(r0,α)和太阳风条件(BZ,DP)的关系。BZ北向增大时,r0略微增大,α减小;BZ南向增大时,r0略微减小,α增大。DP增大时,r0明显减小,r0和DP是幂函数关系,α几乎不变。磁场主要影响磁层顶形状,动压主要影响磁层顶尺度。太阳风条件变化,子午面磁层顶形状的变化大于赤道面磁层顶形状的变化。子午面磁层顶因为极尖区的存在而分为两段,而本文模型还是使用一条曲线拟合,所以误差较大。所有太阳风条件下,本文模型和MHD模拟数据符合都比较好。行星际磁场北向时本文模型和经验模型符合比较好,行星际磁场南向时本文模型和经验模型符合比较差。这个问题的原因目前尚不明确,有待我们今后工作进一步研究。

关键词：磁层顶太阳风条件行星际磁场南北分量太阳风动压

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