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日侧磁层顶磁重联过程的卫星和地面联合观测研究

张清和  
【摘要】: 日侧磁层顶边界层是太阳风-磁层耦合和相互作用的重要区域。太阳风可以通过日侧磁层顶向地球磁层输运或转换质量、动量和能量,而磁重联则是这一输运或转换过程中最为重要的物理过程之一。本文基于我国南极中山站和北极黄河站白天处在极隙区并形成地磁共轭的优越地理条件,联合Cluster卫星簇和我国双星(TC-1、TC-2)及超级双极光雷达网(SuperDARN)和欧洲非相干散射雷达(EISCAT)的协同观测,对于行星际磁场(IMF)南向和北向两种情况选取了五个典型的日侧磁层顶磁重联事件并加以详细分析,试图揭示日侧磁重联产生的通量传输事件(FTEs)和高纬尾瓣重联的演化特征和物理特性。 在南向行星际磁场(IMF BZ0)条件下,本文详细分析了2004年4月1日11:48-13:00 UT期间、2004年2月11日09:00-12:00 UT期间和2004年3月13日12:00-12:40 UT期间Cluster/TC-1卫星穿越磁层顶前后的磁通门磁力计(FGM)和电子/电流试验仪(PEACE)及EISCAT和SuperDARN雷达的同时观测资料。采用最小变化量分析法(MVA)将磁场数据投影到局地磁层顶法线坐标系(LMN)并结合卫星PEACE记录的电子能谱数据发现在卫星穿越磁层顶前后观测到了一系列日侧磁层顶低磁纬重联产生的FTEs,这些FTEs具有准周期性。采用最小方向微分法(Minimum Directional Derivative (or Difference),简称MDD)和时空微分法(Spatio-temporal Difference,简称STD)对这些FTEs的维数、运动速度和尺度大小进行详细分析发现这些FTEs通常是径向尺度约为0.60-1.05 RE的准二维结构,具有尾向和昏向(或晨向)运动速度,与Cooling模型预测的通量管运动方向基本一致。通量管内电流密度较大,可达10-7A/m2。详细分析发现2004年2月11日事件中可能存在一对FTEs产生于同一条重联X-线(与北半球极隙区相连的FTEs被Cluster卫星观测到,而与南半球极隙区相连的FTEs被TC-1卫星观测到)。采用Cooling模型对这一对FTEs进行预测并与Cluster卫星观测的FTEs的运动速度进行比较,推算出TC-1卫星观测到的FTEs的运动速度和尺度,从而得出随着FTEs的尾向运动,其速度和尺度均有所增加。 这些FTEs的运动与CUTLASS(或Stokkseyri)SuperDARN雷达观测的“极向运动雷达极光”结构(PMRAFs)(或“脉冲式电离层流”(PIFs))有着很好的对应关系,也与EISCAT Svalbard雷达观测的极向对流和软电子沉降特征有一定的对应关系。同时,这些FTEs的运动方向及Cooling模型预测的通量管运动方向与SuperDARN雷达共轭观测的南北极极区电离层对流增强方向基本一致,该对流增强的持续时间大约为4-8分钟,进而推出自磁重联发生到FTEs融入极盖区开放磁力线中的演化时间大约为4-8分钟;然而,这些FTEs在南极和北极极区电离层的响应时间(对流增强的开始时间)是不同的,进而推测出产生这些FTEs的重联点位于日下点以南(或以北)的日侧磁层顶区域。 在北向行星际磁场条件(IMF BZ0)下,本文还详细分析了2004年3月26日09:00-10:00 UT期间和2005年1月11日09:00-14:00 UT期间Cluster/TC-1卫星穿越磁层顶前后的磁通门磁力计(FGM)和电子/电流试验仪(PEACE)及地面CUTLASS SuperDARN雷达和我国北极黄河站全天空极光的同时观测资料,并考察了相应时刻低轨卫星DMSP_F13观测的粒子沉降和等离子体对流数据。分析被投影到局地磁层顶法线坐标系(LMN)的磁场数据和卫星PEACE记录的电子能谱数据发现在北向行星际条件下卫星观测到了一些典型的磁重联特征,该特征伴随有明显的粒子加速和等离子体混合特征。这些磁重联可能是高纬尾瓣重联。地面CUTLASS SuperDARN雷达观测到了“赤向运动雷达极光结构”和向阳对流的增强,该对流增强的持续时间大约为8分钟,说明这些高纬尾瓣重联的演化时间大约为8分钟。我国北极黄河站全天空极光观测显示了北极极区电离层对磁层顶磁重联有很好的响应,并且发现极光增亮的区域与行星际磁场(IMF)时钟角有很强的依赖关系。DMSP_F13卫星观测的电离层相应区域软电子沉降和离子色散特征进一步证实了尾瓣重联的发生,该卫星观测的等离子体对流方向和Cluster卫星观测的高纬重联产生的FTEs的运动方向及我国北极黄河站观测的该区域的极光运动趋势基本一致。 日侧磁层顶磁重联过程及其动力学效应十分复杂,本文仅分析和研究了五个典型的事件。尽管本文揭示了一些新的结构和现象,并对FTEs的演化过程形成了一些新的认识,但对磁层顶磁重联的整体形态、磁重联的三维几何结构、磁层顶磁重联对极区电离层的影响等问题尚待进一步深入研究。


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