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地球、木卫一、土卫六磁层的初步研究

杨亚芬  
【摘要】: 在太阳系八大行星中,除金星和火星之外,其它行星都有比较强的内禀磁场。行星磁场与太阳风相互作用,形成磁层。各行星磁层既有相似点,又因其自身差异也会有各自独特的磁层现象。近年来,人类对除地球之外的其它行星的探测越来越感兴趣,深空探测已经成为热门话题之一。比较研究各行星磁层,有助于人类更好地了解行星本身及其演化,帮助人类进一步认识地球磁层。本文主要介绍地球磁层,以及太阳系中两颗具有最大磁层的行星—木星和土星磁层中的一些现象,并对这些现象通过数值模拟,从理论上进行研究,主要取得如下几方面成果: 1.中性风季节性变化对地球南北半球耦合的影响 中性风拖曳电离层中的等离子体切割地球磁力线,会产生感应电场,对磁层—电离层的耦合以及电离层电动力学过程都有重要的影响。若只考虑磁层中磁力线闭合的部分,认为除了Birkeland电流外,磁层是空的,则磁层—电离层的耦合可以简化为电离层发电机。在真实的地球主磁场中,我们研究了中性风季节性变化对电离层中电流和电场的影响。发现电离层中夏冬季节里的电势梯度要比春秋季节里的陡,夏冬季节里的壳电流要比春秋季节里的强,这是由于在夏冬季节里有更强的中性风。另外,类似于电离层中电流的季节性规律,夏冬季节里的Birkeland电流要比春秋季节里的大2-3倍,并且冬季的Birkeland电流要比夏季的强很多。假设沿磁力线等电势,Birkeland电流可以从电离层的一个半球流到另一个半球,这样磁层—电离层的耦合就可以转换为南北半球之间的耦合,南北半球之间的耦合可以通过Birkeland电流反映出来。所以,南北半球之间的耦合在夏冬季节里要比在春秋季节里强很多,在冬季里要比在夏季里强。 2.地球磁尾中磁重联后细磁通量管的运动 地球等离子体片中持续时间很短的快速流动事件被称为爆发流(BurstyBulk Flows,BBFs)。当前理论认为,爆发流是磁泡(含较少等离子体的磁通量管)在交换不稳定的作用下在等离子体片中的运动。磁泡图像很自然地解释了等离子体片中观测到的爆发流。本文研究地球等离子体片中重联后的磁泡的运动,用地球磁尾中的一维磁细丝来表示磁泡,通过数值模拟发现,重联产生的磁细丝磁场比周围磁场偶极性更强,运动时表现出了很强的地向流。另外结果还显示了磁流体力学波从赤道面向电离层的传播。磁细丝在电离层上的足点的赤道向运动滞后于赤道面上的地向运动。虽然在模拟中磁细丝的初始等离子体压强低于周围压强,但是当它开始迅速向地球方向运动时,它的等离子体压强很快上升到与周围压强相当,甚至有时候大于周围压强的值。 3.木卫一等离子体环中冷热离子的运动 木卫一是最靠近木星的一颗卫星,其轨道附近有一个等离子体环,是木星磁层中主要的等离子体源。木卫一等离子体环主要由高密度的冷等离子体组成,其中的等离子体被加速后进入木星大气层,产生木卫一尾迹极光。本文中通过模拟木卫一等离子体环中冷热离子的轨迹来分析离心力对冷热离子作用的大小,发现冷离子在离心力的约束下沿着磁力线来回反射,不可能进入木星大气层。因此要使等离子体环中的冷离子进入木星大气层,引发木卫一尾迹极光,还需要其它的加速机制使它获得足够的能量。目前有两种可能的机制:(1)木卫一和木星磁层相互作用产生Alfvén波,离子从Alfvén波获得能量;(2)平行电场(向上的Birkeland电场)加速离子。 4.不对称导致的土卫六尾迹的偏转 土卫六是土星外部磁层中一个重要的等离子体源,它本身没有磁场,但与土星磁层相互作用后有一个感应磁场。Voyager 1和Cassini飞船都近距离掠过土卫六,它们都探测到土卫六感应磁场的尾迹中心轴相对共转方向有一个偏转,且土卫六尾迹中的离子在向土星侧和背土星侧分布不对称。为了分析这一现象,我们通过一个简单的模型模拟土卫六外逸层中产生的离子的轨迹。结果发现重离子有和土卫六半径相当的回旋半径,而轻离子的回旋半径并没有这么大。由于有限回旋半径效应(finite gyroradiieffects),朝土星侧的大部分重离子被土卫六大气层吸收。所以在土卫六尾迹两边的离子密度是不对称的。这个不对称使尾迹处于不平衡的状态,并偏离共转方向。通过力学平衡,我们发现尾迹偏离共转方向朝土星偏转约19°。这和Voyager 1的观测一致。


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