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地球磁层边界层结构和动力学的卫星观测研究

林曦  
【摘要】:地球磁层是日地物理中最重要的一个区域之一。磁层中不同性质的等离子体之间的平衡经常导致分离两个相邻的等离子体区的边界的形成。对于边界层的研究可以帮助我们加深对各种磁层活动(例如磁场重联)以及磁层各区域之间耦合过程的认识和理解。磁层边界层中的波动-粒子相互作用对揭示磁层的能量释放与转换机制具有非常重要的作用。为此,本文结合Cluster和THEMIS卫星观测,对位于地球磁层不同区域,不同尺度的边界层的结构和动力学过程进行了较为系统的分析和研究。主要研究内容如下: 1、通过Cluster卫星观测,我们研究了在近磁尾位于等离子体片边界层附近,伴随着磁场重联的慢激波的结构和动力学过程。通过Rankine-Hugoniot激波守恒关系和蒙特卡罗激波拟合方法,我们获得了慢激波的存在证据;通过对伴随着激波的尾向流进行Walen分析,进一步证明了等离子体在越过耗散区附近Petschek型慢激波时被激波所加速。在激波层我们观测到了反流离子,冷离子被激波加速和加热;另外,哨声波和静电孤立波在慢激波附近被发现。研究结果表明这些波动是由在激波附近所观测到的场向电子束所激发的。 2.利用THEMIS卫星观测到的若干弓激波穿越事件来研究弓激波邻近区域的电子双电势层结构(DL)。首次在弓激波的转换区观测到了双电势层结构的存在证据。这些双电势层的平行电场结构伴随着一系列的非线性演化的电子洞。在弓激波转换层内观测到的双电势层,平行电场幅度约为45~90 mV/m,提供70~180 V的电势降,其尺度在90~160个德拜长度的量级。弓激波中观测到的双电势层的这些特性与前人在实验等离子体中观测到的类似。在弓激波中观测到的双电势层对我们进一步认识和理解弓激波中的波动-粒子相互作用和能量耗散过程提供了新的途径。 3.利用THEMIS卫星数据,研究了弓激波转换区和下游的波动。弓激波的转换区和下游区的扰动比较剧烈,主要波动是哨声波和静电孤立波(ESW)。静电孤立波在弓激波的转换区大量存在,伴随着双电势层结构。其特征如下:a)脉宽:弓激波区域观测到的静电孤立波脉冲间隔长短都大于对应的脉宽,说明了静电孤立波的高度孤立性。b)幅度:弓激波的转换区的静电孤立波的幅度高达几百个mV/m。c)结构:在弓激波转换区观测到了各种类型的二维静电孤立波。 4.利用THEMIS卫星高精度电场数据对磁尾静电双电势层做了多事例分析研究。在磁尾磁场扰动区域,主要是等离子体片边界层区域看到了双电势层的存在。在地球磁尾观测到的双电势层,平行电场约为4~40 mV/m,提供40~1430 V的电势降。其尺度在5-65个德拜长度的量级。


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