地球磁尾动力学过程的卫星观测和数值模拟研究

【摘要】：地球磁尾是地球磁层的重要组成部分。许多发生在磁尾的爆发性现象对人类的生活有重大影响,比如磁暴产生的高能粒子能损坏近地空间的人造卫星,而电离层性质的剧烈改变能影响无线通讯。另外,磁尾还是人类研究等离子物理的天然实验室。 磁场重联是天体物理中的普遍现象。磁场重联可以在短时间内将磁能转化为粒子动能和热能,并且改变磁场的大尺度拓扑结构。在磁场重联区有丰富的波动现象,但到底是哪种波动在重联层中占主导,这些波动仅仅是重联的副产物,还是能够触发或者调制重联?这些都是空间和试验等离子体物理学家需要解答的问题。磁零点是重联中至关重要的一个区域,在零点磁力线断开并重新连接。揭开磁零点的详细结构,波动和粒子特征,对于理解三维磁场重联是很有意义的。高能粒子注入以及偶极化是亚暴过程的两个重要组成部分,对它们的研究可以让我们了解亚暴过程的能量释放机制,以及亚暴的触发机制。 在本博士论文里,我们结合卫星观测和数值模拟,对发生在地球磁尾的多尺度动力学过程进行了研究,主要讨论了波粒相互作用,离子和电子加速过程。以下是本文的主要成果： 1,研究了Cluster卫星观测到的重联扩散区内,不同区域内不同波动的特征。 我们在重联扩散区内薄电流片附近确认了静电和电磁模式的低混杂漂移波的存在。在卫星穿越磁分界线时,观测到了等离子体流和Hall磁场的反向,同时观测到了强的静电模式的低混杂漂移波。在扩散区的中心电流片内观测到了强的电磁扰动,使用多卫星干涉法对波的色散关系进行分析,发现波的模式与低混杂漂移波一致。这是首次报道在重联扩散区内观测到电磁模式的低混杂漂移波。我们估算了由该电磁波动提供的反常电阻,发现不足以提供卫星实测的电场。 我们研究了在X线地向侧有小导向场存在的高β区域观测到的低频波动模式。通过K滤波法得到了低频部分的波矢,发现波动是高斜向传播的。将实测的色散关系与理论色散关系做了比较,证实了Alfven-Whistler波在重联层的存在。 另外,在扩散区内的磁分界线上找到了一个密度耗空区,并且研究了耗空区内的波粒相互作用过程。在耗空区内存在强的反平行电流,并且里面有介于离子回旋频率和低混杂频率间的静电波动。极化分析表明该波动是线性准垂直极化的,同低混杂波的性质一致。同时还观测到了斜向传播的哨声波。电子分布有平行方向的电子束。我们讨论了耗空区内可能的波粒相互作用,以及耗空区对电子加速的作用。 2,报道了Cluster卫星对扩散区内磁零点结构的局地观测,以及对应的电子动力学和波动特征。我们在扩散区内找到了可能的螺旋零点对以及由三个零点组成的零点簇结构。发现零点及磁场Bz分量的双极化结构和能量至100keV的高能电子通量增强之间存在着紧密联系。Cluster4颗卫星处于3维磁场重联的不同拓扑区域内,并且其中一颗卫星离电子尺度的零点磁分离线仅19km。在穿越磁分离线的过程中,观测到了半宽为4-6个电子惯性长度的薄电流片,反平行方向电流的峰值,以及能量电子通量增强,此时电子能谱最硬,幂指数约为-3.4。在磁分离线附近还观测到了静电孤立波,哨声波和低混杂波,说明电子动力学和波粒相互作用在无碰撞磁场重联中起很重要的作用。还发现零点对之间的fan平面的夹角同理论预测的由哨声波调制的重联层中,哨声波的最大群速度张角一致。 3,开展了一系列的2维粒子模拟来研究在磁层中经常观测到的电子等离子体幅度调制波的产生机制。发现弱电子束不稳定性可以激发调制的Langmuir波,而当背景磁场比较大时,垂直方向上的电场没有调制现象。观测到的垂直极化的调制波可以由弱的损失锥不稳定性激发形成。当弱电子束带有损失锥分布时,调制的波动呈现出很快的在平行极化和垂直极化之间的转换,这也解释了在重联层中观测到的这种波形的产生机制。波形短时间内极化的转变可能是由于不同的调制波动的捕获相位不同导致的。 4,通过THEMIS和LANL卫星观测,以及大尺度动力学模拟,研究了一次亚暴注入事件。我们通过跟踪大量粒子在全球磁流体力学模拟得到的电磁场中的运动,模拟了高能离子注入。我们的模拟可以重构出THEMIS和LANL卫星观测到的注入事件的主要现象,包括通量增加的时序和色散特性。亚暴期间粒子主要通过两个区域获得能量。一个区域是在近尾x线附近(X--20 RE),粒子在该区域在强感应电场的作用下非绝热的获得能量。另一个区域是在X=-18 RE至X=-7RE之间的若干个狭长或分立的区域,这些区域磁场较强,在该区域粒子在强的势电场的作用下非绝热的获得能量。我们的研究表明,磁场重联和非绝热加速对亚暴注入事件中离子能量的获得起着重要的作用,这对传统的认为粒子仅仅在偶极化区域加速,或者认为绝热加速起主导作用的观点是个重要的补充或修正。 5,通过THEMIS卫星观测研究了若干个偶极化锋面对应的微观物理过程。 2008年2月15日,THEMIS卫星在亚暴期间近尾探测到了多个偶极化锋面。偶极化锋面都在地向传播的等离子体泡的前缘。在偶极化锋面处还有高能电子通量的增加,以及大的波动增强,波动频率从低于低混杂频率到高于电子回旋频率。偶极化锋面是尺度为离子惯性长度的薄电流片,并且对应着很强的电场,该电场主要是由Hall电场和低混杂漂移波的电场组成。我们认为低混杂漂移波是密度或温度梯度存在的条件下由退磁化漂移电流激发的。锋面附近还观测到了电子静电回旋波,它很可能是由电子垂直速度分布存在的正梯度激发的。以上观测到的两种波动都有可能加速电子。在偶极化锋面观测到的这些波动,对于理解亚暴期间的电子加速以及电流片中断都有重大意义。 2009年2月27日,四颗沿径向从X=-20 RE到X=-10 RE排列的THEMIS卫星观测到了一个地向传播的偶极化锋面。这个锋面也是在等离子体泡的前缘,并且是尺度为离子惯性长度的动力学结构。靠近尾部的两颗卫星(P1/P2)和靠近地球的两颗卫星(P3/P4)观测到的电子和离子分布差异较大。靠近尾部的两颗的卫星都在锋面观测到了哨声波,而靠近地球的两颗卫星没有观测到。2009年3月15日,5颗THEMIS卫星相继观测到了一个偶极化锋面。同2009年2月27日的事件相似,靠近尾部的卫星(P1/P2)观测到了哨声波,而其他的三颗卫星都没有看到。这些现象说明偶极化锋面在传播过程中,在不同区域表现出不同的特征。