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太阳风—磁层—电离层耦合的全球MHD数值模拟研究

彭忠  
【摘要】: 太阳风一磁层-电离层(SMI)系统的演化和系统内部的耦合过程,是空间天气学的关键问题之一。本论文运用全球MHD数值模拟,对SMI系统中的重要电动力学参数,即电离层越极电位、磁层顶重联电压和电离层1区场向电流进行定量研究。主要取得如下三方面的成果: 1.电离层越极电位和磁层顶重联电压的饱和现象 越极电位(V_(pc))一般定义为电离层电势的极大值和极小值之差,可通过地面雷达和空间卫星进行观测。以往的观测和全球MHD模拟研究表明,越极电位(V_(pc))随太阳风电场增强会发生饱和。太阳风和磁层的能量传输主要通过磁场重联实现,总重联率用重联电压(V_r)表征。与越极电位不同,重联电压无法通过直接观测确定,而只能通过MHD模拟进行计算。以往的模拟研究表明V_r也存在类似的饱和现象。本文通过大量模拟算例,就V_(pc)和V_r的饱和现象进行定量研究。在模拟中,我们假定电离层Pedersen电导均匀,Hall电导为零,行星际磁场(IMF)位于正南方向。每个算例由四个参数表征:Pedersen电导率∑_p,太阳风电场E_(SW),太阳风动压P_(sw)和阿尔芬马赫数M_A。通过对100多个算例的分析证明,V_(pc)和V_r不仅与E_(sw)有关,还随着P_(sw)的增加或M_A的减小单调增加;通过对全部算例的综合分析,找到一个综合参数f=E_(sw)P_(sw)M_A~(-1/2),发现V_(pc)和V_r可以用f和∑_p的函数近似拟合。这些函数分别为:V_(pc)=2.3×10~3(f+0.8)(∑_p+2)~(-1)/(f+8.2)和V_r=1.8×10~3[f+0.45(∑_p~(1/2)+1.2)](∑_p~(1/2)+0.45)-(-1)/(f+15.5),其中∑_p)、V~(pc)、V_r、E_(sw)和P_(sw)的单位分别为S,kV,kV,mV/m和nPa。基于上述拟合公式,我们得到以下三个结论:(1)V_(pc)和V_r都随f的增加而饱和,任何使得f增加的行星际参数变化都会诱发它们的饱和现象。(2)V_(pc)的饱和点为f_c=6.6,V_r的饱和点为f_c=14.4-0.9∑_p~(1/2),而∑_P则控制饱和值的高低。(3)由于共享同一个驱动源以及SMI系统内部的耦合作用,V_(pc)和V_r表现出类似的饱和行为,二者之间存在密切的正相关。 2.不同IMF时钟角下磁层磁场的磁合并线和重联电压 磁合并线即地磁场闭合力线和IMF开放力线的分隔线,它给出磁场重联的发生位置。沿磁合并线的电位降称为重联电压,由它表示总重联率。我们提出了一套诊断方法,确定模拟磁层磁场的磁合并线和计算沿合并线的电势分布,据此计算重联电压。磁合并线由大量地磁场最外闭合力线的最小磁场点和若干合适选择的最外闭合力线连接而成,合并线上的电势分布通过沿径向射线积分对流电场获得。该方法成功用来确定不同IMF时钟角(θ_(IMF))下的磁层磁场的磁合并线和重联电压,从中分析磁合并线的几何位形利重联电压与θ_(IMF))的依赖关系。结果表明:(1)磁层磁场与由地球偶极场和IMF简单叠加而成的合成场具有几何位形大致类似的磁合并线。(2)重联电压与θ_(IMF)之间近似满足sin(θ_(IMF)/2)~(3/2)关系;电离层的越级电位和极盖区边界上的电压随sin(θ_(IMF)/2)~(3/2)的变化呈现不同的规律,一般不能简单用它们取代重联电压来量度总重联率。(3)向阳侧磁合并线电势的最大值和最小值之间的合并线长度与θ_IMF的关系是非单调的,在θ_(IMF)=90°时最长,因此用合并线上的电场来取代重联电压来表征总的重联率和太阳风一磁层耦合程度也不合理。(4)磁合并线上离日下点最近的两个磁零点附近重联电场几乎为零,说明预期在该处发生的反平行重联实际上并未发生,这一结果支持准定态SMI系统的向阳侧磁重联的分量重联假设。 3.低阿尔芬马赫数下舷激波对1区电流的贡献 近期一些研究揭示出舷激波对电离层1区场向电流的重要贡献,指出该贡献与南向IMF强度B_s正相关。本文将这一研究拓宽至低阿尔芬马赫数情况。结果发现,如果M_A>2,舷激波贡献的1区电流I_(1bs)与B_s正相关,与前人结论一致。然而,当M_A接近或低于2时,I_(1bS)的大小及其在总1区电流I_1中所占比例(I_(1bs)/I_1)均随B_s的增大而减小。舷激波日下点的面电流密度和舷激波总电流也有类似变化规律:它随M_A或B_s非单调变化,M_A=2.7时达到最大值。由此我们得到如下结论:(1)相对容易观测的日下点附近的舷激波面电流密度,可以替代舷激波总电流大致反映舷激波的电流特性。(2)当只调节B_s时,舷激波总电流在M_A=2.7附近达到极大值。(3)舷激波电流随M_A的非单调变化导致舷激波对1区电流的贡献出现类似非单调变化,转折点位于M_A=2附近。


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