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伴随磁场重联的静电孤立波的研究

李世友  
【摘要】:本文主要利用Geotail和Cluster卫星在磁尾磁场重联发生区域研究静电孤立波(ESW)的特性及其作用。 磁场重联是空间中广泛存在的一种非常重要的能量转换和能量释放的物理机制,通常被用来解释在具有高感应性的空间等离子体中的磁场能量的快速释放。充分认识磁场重联过程中的微观动力学对理解磁场重联的快速能量释放具有非常重要的作用。许多年来磁场重联中的微观动力学——包括各种等离子体波动、粒子的动力学行为等——得到了广泛的研究。例如,在重联区域的非磁化离子限制下的电子动力学响应,被Mandt et al.[1994]解释为激发哨声的源。因此,磁场重联主要是由哨声而不是传统认为的阿尔芬波来驱动。 研究磁场重联耗散区中的波动-粒子相互作用对正确认识磁场重联的快速能量释放与转换机制具有非常重要的作用。在耗散区中,许多种等离子体波动被卫星观测到,在理论研究和计算机数值模拟中也有广泛观测。这些波动主要有哨声波、低混杂波、静电孤立波等。 静电孤立波已经有很多年的研究历史。早期的静电孤立波主要是在地球磁尾的等离子体片-尾瓣边界层观测到;后来发现静电孤立波在很多区域都观测到,包括在太阳风、躬激波的上游和下游以及转换区中、磁鞘等离子体和磁场顶中、极尖区域、激光加速区以及磁尾等离子体片边界层和中心电流片(磁场重联)区域等。近几年来,静电孤立波在磁场重联耗散区中的观测与研究也逐渐被重视。已经有Geotail卫星、Cluster卫星等在磁场重联耗散区邻近区域以及耗散区中被观测到[Deng et al.,2004,2009; Cattell et al.,2005; Li et al,2009c,2009e]。在磁场重联的计算机模拟中也在耗散区内观测到静电孤立波[Drake et al.,2003; Cattell et al.,2005]。 尽管如此,在磁场重联耗散区附近研究静电孤立波仍然有许多不甚明了之处。其中一个重要问题是静电孤立波在磁场重联耗散区内的激发源;其次是静电孤立波的空间尺度和时空演化问题;第三个是静电孤立波在重联边界层的传播;第四个问题是静电孤立波在磁场重联过程中的作用,等等。 本论文的工作主要基于Geotail和Cluster卫星的观测来研究在磁尾磁场重联耗散区及其边界层等离子体中的静电孤立波的观测与现象,重点研究如下几个方 面: 磁场重联耗散区由内向外的邻近区域的静电孤立波的特性,其空间结构,空间和时间尺度,传播方向和速度,等等; 令磁场重联相关联的静电孤立波的作用,例如加速电子的耗散,推动磁场重联的发展,等等; 重联相关区域的静电孤立波和其他等离子体波动的相互作用。在观测到静电孤立波观测的同时,也观测到哨声波、低混杂波、准静电单色波等波动。 这篇论文将按照如下结构展开:首先,在第一章,我们简单介绍空间环境和日地系统,并基于对磁场重联这种在能量转换和传输中起到重要作用的机制的认识,阐述磁场重联在日地系统中的作用。也简单介绍了在地球空间不同区域的磁场重联的观测现象。 在第二章中,我们简单介绍静电孤立波的观测历史及其基本特征。至少,通过本章的介绍,我们希望能够了解静电孤立波的基本情况,包括,何为静电孤立波,在什么地方观测到,如何激发,基本特征是什么,等等。 本论文主要基于卫星实地探测,因此在第三章中,我们简单介绍本研究中主要用到的卫星仪器。仅就ESW的研究而言,我们主要用Geotail卫星的WFC仪器、Cluster卫星的WBD仪器和EFW仪器、THEMIS卫星的EFI仪器。其他仪器和数据,比如磁场、等离子体、粒子成分等等,也用于分析我们所研究的事件。 第四章主要阐述ESW在磁场重联耗散区及其邻近区域的不同地点观测的情况。Geotail和Cluster卫星观测的若干个磁场重联事件中的ESW在磁场重联不同区域被观测到。另外,也用Geotail卫星对ESW相对于磁场重联耗散区的位置做了统计分析。 从第五章到第七章,我们主要着眼于与磁场重联耗散区相关的静电孤立波的特性的研究。第五章重点分析静电孤立波的空间结构。区分了如下几种静电孤立波:鼓励的电子洞和链式的电子洞;双极和三极结构的ESW;一维和二维的ESW。第六章分析了静电孤立波的幅度、时间和空间尺度。第七章重点分析在磁场重联X耗散区附近的静电孤立波的传播和演化。 第八章主要阐述ESW在磁场重联过程中的作用。第九章,重点分析了在磁场重联耗散区相关区域的其他波动,包括哨声波、低混杂波等电磁类的波动和静电孤立波、静电准单色波等静电波动。 最后一章总结了本文的主要工作。由于仪器和方法以及事件所限,本文的工作有许多不完善的地方。展望空间领域的新的卫星发射计划,本文没有做好的研究将在未来的工作中逐一完善。


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