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磁层—电离层大尺度电流体系研究

唐斌斌  
【摘要】:磁层-电离层电流系是理解太阳风-磁层-电离层耦合过程的一个关键所在,也是研究者一直关心的课题。本文利用PPMLR-MHD数值模型和Cluster卫星数据研究了包括越尾电流在内的磁层电流系的大尺度结构,并且对电离层Cowling电流增强的过程进行了分析。 首先,我们用PPMLR-MHD模型对越尾电流的闭合回路进行了研究。结果发现,当IMF(Interplanetary Magnetic Field)为0时越尾电流整体闭合于高纬磁层顶,形成与传统观点一致的‘θ’型结构;而当IMF BZ转为南向时,部分越尾电流会拐入磁鞘,最终通过舷激波闭合,这个新的越尾电流的闭合回路,同原本通过高纬磁层顶闭合的越尾电流回路一起构成了双‘θ’型结构。同时,定量研究发现:(1)随着IMF BZ南向的增强,越尾电流总量增加,同时流入舷激波的比例也在提高;(2)越尾电流的总量随着太阳风速度的增强而增强,但其增强的部分大多流入高纬磁层顶,闭合于舷激波部分的越尾电流大小变化却不明显;(3)在电离层简单均一的Pedersen电导模型中,越尾电流总量似乎与电离层电导率关系不大,但随着Pedersen电导率的增加,越尾电流流向舷激波的部分会有所增加。另外,模拟中发现越尾电流在等离子体片尾侧和靠近赤道的部分更容易流入舷激波。 在PPMLR-MHD模型中,我们发现高纬磁层顶发电机的供电能力会随着南向IMF BZ的增强而削弱,舷激波发电机的供电能力则随着南向IMFBZ的增强而增强。因此我们运用Cluster卫星观测对上述结论进行了验证。在对Cluster2001, 2002, 2004年1-4月的高纬磁层顶和舷激波间断面穿越事件进行调查统计后,我们发现高纬磁层顶的供电能力确实随着南向IMF BZ的增强而削弱,而舷激波的供电能力却随着南向IMF BZ的增强而不断增强。由于磁层电流系电流总量在这一过程中不断增强,综合分析表明舷激波和高纬磁层顶发电机一起分担了对整个磁层电流的供电,并且这两个发电机的强弱会随着太阳风的变化而变化,在南向IMF BZ由弱变强的过程中,磁层电流系的主要发电机将由高纬磁层顶过渡到舷激波。这个结果与模拟中的结论相一致。 最后,利用PPMLR-MHD模型,我们考察了电离层电导率对Cowling电流增强的作用。这里电离层电导率经验性地同磁尾近地重联相联系。模拟结果与观测相一致:当电离层电导率较小时,电离层电流呈现出双涡结构;而当电离层电导率增强,且Σ_H/Σ_P≥2时,一个强大的西向电流出现在电离层子夜扇区,这个电流就是Cowling电流。它的出现时因为子夜扇区赤道等离子片径向电流的缺乏要求电离层子夜扇区纬向净电流大小维持在较低的数值,这样电离层西向电场驱动的北向Hall电流将被阻塞而形成一个南向极化电场,这个南向电场驱动的西向Hall电流同原本的西向Pedersen电流一起构成了Cowling电流。模拟结果显示,Cowling电流中Hall电流成分可以达到80%以上。因此在夜扇区赤道等离子片径向电流的缺乏的条件下,电离层电导率增强是电离层Cowling电流的增强的先决条件。


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