地球磁尾电流片中磁场结构的研究

【摘要】： 本论文利用Cluster多点磁场探测数据和相关数据分析方法,比较系统地研究了磁尾电流片中磁场的几何结构特性及其分布规律,获得了丰富的和有价值的研究成果。本论文的主要结果如下。 1.扁平电流片中磁场的几何结构和分量的空间分布特性,及其相应带电粒子的运动特性。所得结果表明,在扁平电流片中磁场分量一般强于分量,磁场位形呈螺旋结构(其中左旋结构对应正,而右旋结构对应负),电流密度主要朝昏向,场向分量比较明显。电流片法向沿南北方向。中性片半厚度小于磁力线的最小曲率半径。电子的运动是绝热的,而离子的运动是非绝热的,电流密度的主要载流子是电子。统计研究表明,扁平电流片中一般与行星际磁场的分量是同号的,但有时要强于后者。这说明扁平电流片中的部分来源于行星际中的,部分来源于电流片中的其他物理过程。扁平电流片的出现与地方时和亚暴活动相位无关。在午夜区的扁平电流片中,在中性片内达到最强,而在电流片边界层和尾瓣相对较弱,关于电流片中心呈“准对称”分布(的本征分布)。而在非午夜区的扁平电流片中,受磁尾膨胀效应的影响,呈“非对称”分布。离午夜区越远,“非对称”分布越明显。 2.倾斜电流片中磁场几何结构特性及拍动电流片物理特性和触发机制的探讨。结果表明,对于倾斜电流片磁场结构特性的观测:(1).倾斜电流片内的磁力线结构与标准电流片的磁力线结构是一样的,只不过磁力线相互间发生了滑移。(2).在中性片内,磁场方向旋转剧烈。磁场最小曲率半径,中性片半厚度,以及倾斜电流片的滑移角Rcminh ? ,三者近似满足关系h ?cos?(3).在中性片内,电流密度一般达到最强,呈单峰结构,场向分量和分量比较明显。且电流片越倾斜,电流密度越强,场向分量和分量越明显。在某些情况下,电流密度关于中性片中心呈双峰或不对称分布。对于电流片的拍动特性:(1).电流片的拍动能形成波动从午夜向磁尾晨昏两侧传播。其传播jB方向可更方便地由磁场梯度方向判断出。也存在电流片的局地稳态拍动,但其并不能形成波动传播。电流片的拍动往往使得电流片在局地范围内成为倾斜电流片。(2).在电流片拍动过程中,卫星连续穿越电流片,电流密度的场向分量和分量的符号呈准周期性地交替变化。(3).拍动波的相速度一般为几十km/s,波长为几个左右。在磁尾范围内,电流片的拍动是同步传播的。拍动波的发生与亚暴活动无明显关系,持续时间能长达几个小时。对电流片拍动物理机制的探讨表明磁尾电流片的拍动是磁尾磁场大尺度的内禀振荡,其触发过程很可能跟等离子体流的上下运动有关。据此,本文对电流片拍动的触发和传播过程的物理图像给予了定性说明。 3.拍动电流片磁场结构的解析特性研究。根据拍动电流片中磁场几何结构的观测事实,通过类比标准Harris电流片磁场分布,本文得到了拍动电流片中磁场分布的近似模型,并据此系统性地定量分析了拍动电流片中磁场和相关物理量的整体分布特性。利用磁旋转分析方法,本文还获得了磁力线曲率和中性片半厚度的分布规律及两者之间的物理关系。该模型的模拟观测与卫星的实际观测相符,这也说明了磁场模型的构造是合理的,其理论分析结果是有一定价值的。 4.磁尾电流片磁场分布的统计分析。Cluster在2001-2005年期间对磁尾电流片磁场的统计分析结果表明,电流片中心的磁场及其分量的强度在磁尾午夜区通常较弱,而在磁层晨、昏两侧普遍较强,这表明午夜区的电流片较薄,而在晨、昏两侧的电流片较厚。在晨昏两侧,电流片拍动剧烈,尤以晨侧最甚,而午夜区的电流片拍动相对最弱。在磁地方时21:00-01:00范围内,负及扁平电流片出现的几率较大,磁重联或电流中断等活动比较容易发生。磁尾电流片中分量和磁力线倾斜角的频次分布都近似满足正态分布,扁平电流片的出现几率约是标准电流片的1/3;而磁场强度和分量则主要分布在1～10nT范围内。电流片中y分量的强度近似为1AU处行星际磁场y分量的两倍,两者的相关系数对于扁平电流片尤其高,这表明电流片中B y的大小和符号易受行星际磁场B y分量等外部因素的影响。