行星际扰动对地球空间环境的影响研究

【摘要】：行星际扰动的传播、演化及其对地球空间环境的影响,一直都是空间天气学的前沿和热点。本文主要从观测数据入手,结合有关模型和数值模拟工具,重点研究了行星际激波和南向磁场结构这两种重要的行星际扰动现象对地球空间环境,特别是同步轨道磁场以及地磁环境的影响,并针对地磁暴,极隙区以及越极电位降等问题进行了综合研究。 1.行星际激波对地球空间磁场的影响 行星际激波与地球磁层相互作用,能引起同步轨道磁场和地磁场的急剧变化。同步轨道磁场对行星际激波的响应幅度与地方时密切相关,在正午附近最大,并向夜侧逐渐减小,而磁场的相对变化与地方时的关系明显减弱,与同步轨道对太阳风动压脉冲的响应特征类似。出乎意料的是,我们发现夜侧同步轨道磁场存在“负响应”的情况,并且行星际磁场多为南向。正午侧同步轨道磁场响应、地磁急始脉冲幅度以及行星际激波上下游动压根方差三者之间存在很好的线性关系。总结三者之间的经验公式,我们建立了利用地磁急始脉冲的观测数据对行星际激波有关特性以及同步轨道磁场变化的反演模式,并验证了该反演模型的有效性。该反演模式将有助于研究卫星观测之前的行星际激波历史事件,并可发展成为L1点及同步轨道数据缺失时的一种空间天气备用监测手段。 2.行星际南向磁场结构引起地磁暴的综合研究 行星际南向磁场结构是引起地磁暴的主要原因。我们发现磁暴强度与太阳风重联电场之间非常好的线性相关性,并将前人对于磁暴行星际条件的总结扩展到超级磁暴(SYMH≤-300 nT):行星际南向磁场,IMF BZ ～-27nT,并至少持续1小时;太阳风动压,Pd ～12 nPa;太阳风重联电场,EK-L ～30 mV/m。我们首次得到了暴时同步轨道磁场的360全景特征。不同强度磁暴发生时,同步轨道磁场的全景特征有着明显不同。对于中等磁暴(-100 SYMH≤-50 nT)而言,同步轨道BZ随地方时的分布与钟型高斯分布相类似,在正午前达到最大,而后向夜侧逐渐减小;而超级磁暴时,同步轨道BZ的正态分布发生反转。进一步的分析表明,这是由于向阳侧磁层顶在此时已经进入到地球同步轨道以内。 我们研究了暴时磁层的能量学特征。从太阳风输入到磁层的总能量对磁暴强度起决定性作用,二者的相关系数高达0.90。进入磁层能量的输入效率与磁暴强度正相关,并且在磁暴主相期间最大。我们澄清了环电流注入和高纬电离层耗散的相对重要性,二者的比值与磁暴强度成正比。对于中等磁暴而言,高纬电离层的耗散占主导;而对于大磁暴(SYMH≤～-200 nT)而言,环电流注入的耗散则占主导。相比整个磁暴和恢复相,环电流注入所占的比例在主相期间更大。我们还定量考察了暴时磁层能量的收支状况,发现磁层能量的耦合效率随着磁暴强度的增加而呈指数衰减。强磁暴期间输入到磁层的能量并没有完全释放,可以储存在磁层之中,并作为一些中等强度磁暴的额外能量来源。 我们利用统计分析,得到了磁暴期间地磁扰动水平分量的晨昏不对称性及其演化特征,并结合一些合理假设,定量研究了部分环电流对于暴时Dst指数的贡献及其在磁暴期间的演化过程。主相期间,部分环电流的贡献占主导地位,并在磁暴最强时达到最大,而后在恢复相迅速减小,在恢复相末期,部分环电流的贡献则可忽略不计。进一步的研究表明,部分环电流的相应贡献与磁暴强度有关,随着磁暴强度的不断增加,部分环电流的贡献逐渐减小。 我们模拟了“卡灵顿事件”期间,地球磁层―电离层系统对超强太阳风暴的响应。向阳侧磁层顶和弓激波被压缩至4.3和6.0 RE,同时侧翼部分的弦激波和磁层顶也受到强烈压缩作用。超强磁暴发生后,1区场向电流急剧增强约60倍,电离层的越极电位降增加约80倍,重联电压为一般磁暴时期的5到6倍,大量太阳风能量进入到磁层内部,从而引发强烈的空间天气现象。 3.极隙区和越极电位降与行星际扰动的关系 基于T96模型,我们定义了极隙区的位形以及相关的描述参量,并讨论了太阳风动压、行星际磁场及磁暴强度对极隙区位形的影响。我们将所得结果与前人的观测结果进行了简单的比较,总的来说,利用T96模型确定极隙区位形的效果还是不错的。 我们提出了一个准静态非线性的太阳风―磁层―电离层耦合电路模型以理解并解释越极电位降饱和的现象,与观测比较,效果不错。发电机区的内阻越小,向阳侧磁重联线越长,夜侧与向阳侧重联电势之比越大,向阳侧与夜侧发电机区内阻之比越大时,越极电位降的饱和水平越高。