【摘要】：本論文基于多衛(wèi)星探測(cè)方法對(duì)亞暴期間極區(qū)和磁尾區(qū)域場(chǎng)向電流進(jìn)行了研究和分析,論文分為三大部分。第一部分涵蓋前兩章,第一章中簡(jiǎn)要介紹了亞暴現(xiàn)象及物理過(guò)程,并介紹了極區(qū)場(chǎng)向電路、越尾電流和亞暴電流楔大尺度空間電流相關(guān)背景知識(shí);第二章中對(duì)MMS和Swarm衛(wèi)星計(jì)劃進(jìn)行了簡(jiǎn)要說(shuō)明,并介紹了多點(diǎn)衛(wèi)星探測(cè)方法和衛(wèi)星數(shù)據(jù)來(lái)源。在第二部分分析了2016年7月1日07:00 UT-10:00 UT發(fā)生的一次中等亞暴事件。在此次亞暴事件中,MMS四顆衛(wèi)星在磁尾午夜區(qū)距地球11 RE位置處呈四面體結(jié)構(gòu),而Swarm三顆衛(wèi)星以90分鐘左右的周期在極軌軌道運(yùn)行。在亞暴發(fā)生后,在電離層高緯度Swarm衛(wèi)星依次觀測(cè)到極區(qū)場(chǎng)向電流的突然增大,并且夏季半球數(shù)值明顯高于冬季半球,單衛(wèi)星和雙星聯(lián)合觀測(cè)的結(jié)果是幾乎一致的,原因是極區(qū)電流片的運(yùn)動(dòng)主要是沿著極軸運(yùn)動(dòng),移動(dòng)幅度不大,而且近地衛(wèi)星的飛行速度遠(yuǎn)大于電流片的移動(dòng)速度,所以單衛(wèi)星就可以測(cè)得場(chǎng)向電流的方向和大小,MMS衛(wèi)星在亞暴膨脹相峰值期間測(cè)得磁尾磁場(chǎng)擾動(dòng),磁場(chǎng)梯度急劇增大,并產(chǎn)生場(chǎng)向電流。單位磁通磁尾場(chǎng)向電流密度遠(yuǎn)大于單位磁通極區(qū)場(chǎng)向電流密度,磁尾電流完全可以驅(qū)動(dòng)極區(qū)場(chǎng)向電流。在第三部分探討了磁尾渦旋運(yùn)動(dòng)與場(chǎng)向電流形成之間的關(guān)聯(lián),從理論上分析,渦旋運(yùn)動(dòng)是驅(qū)動(dòng)亞暴電流楔中慣性電流形成的原因之一,本文利用多衛(wèi)星探測(cè)方法計(jì)算出衛(wèi)星中心處的渦度。在MMS運(yùn)行第一階段,我們利用電漂移速度計(jì)算渦度,發(fā)現(xiàn)場(chǎng)向電流與渦度有著很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,即順時(shí)針運(yùn)動(dòng)的渦旋產(chǎn)生向上的電流,逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)的渦旋產(chǎn)生向下的電流,但是在數(shù)值上沒(méi)有看到明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系,利用固體旋轉(zhuǎn)模型計(jì)算得到的電流密度與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)差距很大。在2017年6月16日的亞暴事件中,我們利用電漂移速度、電子速度和離子速度分別計(jì)算了渦度,但是發(fā)現(xiàn)利用電漂移速度可以看到渦旋運(yùn)動(dòng),而利用電子和離子速度并不能看到明顯的瞬時(shí)渦旋運(yùn)動(dòng)。本文嘗試?yán)枚嘈l(wèi)星聯(lián)合觀測(cè)就不同區(qū)域場(chǎng)向電流之間的關(guān)聯(lián)及驅(qū)動(dòng)原因展開(kāi)研究,其結(jié)果可以為亞暴電流楔的起源與特征提供新的線索和思路。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：P353
【圖文】：

圖 1.1 2017 年 09 月 07 日 AU、AL、AE、AO 指數(shù)變化情況。1.2 大尺度電流體系日地空間大尺度電流體系是空間中帶電粒子的運(yùn)動(dòng)形成的，而空間區(qū)域（如太陽(yáng)風(fēng)、磁層和電離層）環(huán)境的不同造成了帶電粒子運(yùn)動(dòng)的差異。由于電流產(chǎn)生的物理過(guò)程和分布區(qū)域的差異，空間電流一般可分為磁層頂電流、環(huán)電流、電離層電流、場(chǎng)向電流和越尾電流等，圖 1.2 給出了地球空間電流的分布情況。根據(jù)電流必須形成閉合回路的觀點(diǎn)，科學(xué)家們劃分了六大電流體系，雖然實(shí)際的電流結(jié)構(gòu)和時(shí)空變化要復(fù)雜的多，但是上述電流體系還是大致覆蓋了空間中電流的主要特征。本文主要研究的是Ⅰ區(qū)場(chǎng)向電流和磁尾場(chǎng)向電流。

圖 1.2 磁層中的電流體系 (Frey et al., 2007)。1.2.1 越尾電流IMP (Interplanetary Monitoring Platform)衛(wèi)星計(jì)劃的成功實(shí)施為人們揭示了磁尾結(jié)構(gòu)的存在，磁尾磁力線被拉伸至月球軌道甚至更遠(yuǎn) (Ness, 1965; Speiserand Ness, 1967)，繼而科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)在磁尾區(qū)域磁力線方向轉(zhuǎn)變的區(qū)域存在細(xì)長(zhǎng)的中性片，而這一電流幾乎將磁尾均勻的一分為二 (e.g., Bame et al., 1967;Fairfield et al., 1979; Owen et al., 1995)，圖 1.3 是越尾電流示意圖，藍(lán)色箭頭方向代表了磁尾電流的流動(dòng)方向。

圖 1.3 越尾電流空間示意圖 (Ganushkina et al., 2018)。越尾電流是磁層中空間尺度最大的電流體系，由于太陽(yáng)風(fēng)質(zhì)量、動(dòng)量和能量層的傳輸主要發(fā)生在磁尾，而且中性片不穩(wěn)定性的上升會(huì)導(dǎo)致磁層亞暴的發(fā)(e.g., Lui, 1991; Baker et al., 1996)，所以研究越尾電流十分重要。越尾電流由兩部分組成，首先是把磁尾分為南北兩瓣的磁尾中性片電流，其是從晨側(cè)流向昏側(cè)（圖中橫向箭頭），帶電粒子運(yùn)動(dòng)到磁尾邊界層后，沿著磁層頂回到晨側(cè)（圖中縱向箭頭），形成了整體形狀像希臘字母 θ 的半圓形管，這部分電流叫做磁尾磁層頂電流。越尾電流密度的數(shù)量級(jí)為質(zhì)子電流密.7×10-9A/m2和電子電流密度 2.0×10-8A/m2，總電流密度為 24 nA/m2，考慮流片很長(zhǎng)，電流密度也可以按長(zhǎng)度給出，即 30 k m或者是2 105RE ，是說(shuō)每五個(gè)地球半徑攜帶106電流。在整個(gè)磁層尺度而言，越尾電流是一久且穩(wěn)定的電流系統(tǒng)，但就小尺度而言，越尾電流包含了好幾個(gè)動(dòng)力學(xué)電流，尺度場(chǎng)向電流 (e.g., Sergeev et al., 1996; Nakamura et al., 2001; Takada et al.,

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本文編號(hào)：2784799