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太阳风在地球激波前兆区的减速以及地球内磁层的结构研究

符慧山  
【摘要】: 本文分为两部分,分别探讨了太阳风在地球激波前兆区的减速现象以及地球内磁层的结构和动力学过程。 对于第一部分,我们应用了CLUSTER卫星多点观测的优势,首次直接的观测到了太阳风在流经地球激波前兆区时会发生减速,减速的最大值约为22km/s。在减速的过程中,激波前兆区离子的温度得到了增加,同时也观测到了强烈的ULF波活动。太阳风减小的动能被认为是转化为了激波前兆区离子的内能,这种转化是通过ULF波和太阳风离子之间的波粒相互作用完成的。通过傅里叶分析,波望眼镜,以及偏振分析,我们发现引起太阳风减速的波模是阿尔芬哨声波,这种波的速度大于阿尔芬速度,频率介于阿尔芬波和哨声波之间,呈现右旋偏振状态,并且广泛的存在于地球的激波前兆区。通过对CLUSTER数据进一步的统计分析,我们发现太阳风减速在激波前兆区存在一定的分布规律:(1)当减速区沿着磁力线到弓激波的距离越小时,减速值越大;(2)通过减速区的行星际磁场和弓激波的夹角越小时,减速也越大;(3)减速区到ULF波动区边界的距离约为0-6RE时,减速最明显。减速的大小和ULF波动区的统计关系也暗示了ULF波对太阳风减速的作用。在太阳风减速的同时,流向也发生了偏转,太阳风偏转的分布和太阳风减速具有相似的规律。 对于第二部分,我们通过分析IMAGE RPI EUV, DMSP, ACE等卫星的测量数据以及地磁台站记录到的地磁活动指数,研究了内磁层中的一些特殊现象和特殊结构,以及它们的演化过程。我们发现,内磁层的形状从夜侧到日侧的改变主要是受等离子体重填过程的控制。在通常情况下,在夜侧存在的等离子体层顶在旋转到日侧之后也仍然存在,只是它的位置向外“移动”了一定的距离。通过对内磁层中磁通量管从夜侧到日侧的运动过程的追踪,我们发现等离子体层顶的这种“外移”主要是由等离子体的快速重填造成的。快速重填使得紧靠等离子体层顶的那部分等离子体槽区的密度在半天的时间内上升到了和等离子体层相同的水平。这个结论也得到了DMSP在电离层观测到的外流离子通量的支持。一种非常极端的情况是,夜侧很明显的等离子体层顶在旋转到日侧之后就消失了,甚至到L=12之外都没有看到等离子体层顶的特征,这意味着从夜侧旋转到日侧时整个等离子体槽区的密度都被重填到等离子体层的水平。通过重填率的计算,我们发现通常情况下的重填率是0.27 cm-3 h-1,极端情况下的重填率是0.88 cm-3 h-1。这两个重填率分别接近于之前研究里面给出的重填率范围的下限和上限,因而都是合理的。我们对比了DMSP观测到的H+离子的外流通量和IMAGE观测到的电子密度的增加,发现电离层外流的离子足以是重填的源。另外,在IMAGE穿越内磁层的过程中,我们在等离子体层中观测到了一个密度洞,密度洞的大小约为ΔL=0.7。RPI主动模式测量到的场向电子密度的分布显示,密度洞沿着磁力线从IMAGE轨道面延伸到大约41°MLAT的地方。与此同时,DMSP在电离层相同地方时相同Lshell的地方也观测到了一个轻离子的低密度区,说明密度洞是一个从等离子体层沿着磁力线一直延伸到电离层的低密度结构。


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