本文關(guān)鍵詞：近地太陽風(fēng)中磁結(jié)構(gòu)的探測研究

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【摘要】：關(guān)于近地太陽風(fēng)中的磁結(jié)構(gòu),我們主要關(guān)注了兩類,一類是磁場強度降低的磁洞結(jié)構(gòu),一類是地球弓激波附近的太陽風(fēng)熱流異常結(jié)構(gòu)。這兩類磁結(jié)構(gòu)都是空間中經(jīng)常被觀測到的現(xiàn)象。其中磁洞結(jié)構(gòu)本身的形成機制涉及等離子體不穩(wěn)定性等基本物理問題,同時也有觀點認為太陽風(fēng)中的線性磁洞又有可能攜帶了太陽風(fēng)加熱加速的信息；而弓激波附近太陽風(fēng)熱流異常事件是太陽風(fēng)間斷面和磁層弓激波相互作用的產(chǎn)物,并且當(dāng)它到達磁層頂后可能會引起磁層的擾動,因此研究它的特性和演化過程,對于探索太陽風(fēng)與磁層的相互作用等重要問題具有一定的參考意義。Cluster衛(wèi)星計劃的成功實施,及其特殊的四面體構(gòu)型,為我們開展相關(guān)的研究工作提供了有力的支持。在本論文第一章(緒論)中,我們介紹了磁洞和太陽風(fēng)熱流異常結(jié)構(gòu),并針對它們的產(chǎn)生機制和演化特性,介紹并討論了前人工作的進展和存在的問題。在第二章中,我們介紹了Cluster衛(wèi)星及其搭載的科學(xué)儀器(主要介紹FGM和CIS儀器)的相關(guān)信息、用以計算空間結(jié)構(gòu)速度和法向的Timing方法、以及如何估算速度和法向的誤差,并簡單介紹如何使用Cluster衛(wèi)星的原始速度分布數(shù)據(jù)來計算等離子體的密度、速度等矩(moments)數(shù)據(jù)。對于我們所關(guān)注的第一類磁結(jié)構(gòu),即磁洞,它是如何形成的,盡管人們在觀測和理論上都做了大量的探討,但是關(guān)于其產(chǎn)生機制,目前仍不清楚。比如,有關(guān)線性磁洞的產(chǎn)生機制,人們討論較多的是鏡像模不穩(wěn)定性,也有人為了解釋在鏡像模穩(wěn)定的環(huán)境中觀測到的線性磁洞發(fā)展了孤波近似理論。那么,線性磁洞的產(chǎn)生機制究竟是鏡像模還是孤波,或者是否存在其它可能的機制,這有待于進一步的研究。另外,線性磁洞與非線性磁洞是否由同一種機制產(chǎn)生的,以及磁洞是在哪里產(chǎn)生的,這些問題目前仍不清楚。本論文的第三章到第五章,是有關(guān)近地太陽風(fēng)中磁洞的研究工作。在第三章中,我們利用Cluster-C1衛(wèi)星數(shù)據(jù),統(tǒng)計研究了1 AU處太陽風(fēng)中的線性磁洞的出現(xiàn)率和幾何形狀,得到線性磁洞的出現(xiàn)率約為3.7個／天,結(jié)構(gòu)的幾何形狀符合橢球狀。通過與前人在0.72 AU處的觀測結(jié)果對比,發(fā)現(xiàn)1 AU處太陽風(fēng)中線性磁洞的出現(xiàn)率和幾何形狀均變化不大,因此推測線性磁洞在0.72 AU之前已經(jīng)形成并已發(fā)展成熟。在第四章中,利用2001-2009年近一個太陽活動周期的數(shù)據(jù),統(tǒng)計研究了近地太陽風(fēng)中磁洞事件(包括線性磁洞列、非線性磁洞列、線性非磁洞列和非線性非磁洞列事件)的磁場和等離子體特性。通過對比太陽風(fēng)各參數(shù)的平均分布情況,發(fā)現(xiàn)線性磁洞列事件更容易在低磁場、高密度、高等離子體β區(qū)域產(chǎn)生,而非線性磁洞列事件更容易在低磁場、低密度、高等離子體β環(huán)境中產(chǎn)生,因此推測這兩類事件有不同的產(chǎn)生機制。通過統(tǒng)計與ICME和CIR相關(guān)的線性磁洞列和非線性磁洞列事件,發(fā)現(xiàn)在CIR中觀測到的線性磁洞列(非線性磁洞列)事件占其總數(shù)的25%(25%),因此推測CIR可能是這兩類磁洞的重要源區(qū)。另外,發(fā)現(xiàn)在太陽活動高年,ICME中的線性磁洞列(非線性磁洞列)事件約占當(dāng)年線性磁洞列(非線性磁洞列)總數(shù)的20%(20%),因此推測ICME可能是太陽活動高年磁洞列事件的重要源區(qū),而在太陽活動低年,ICME事件較少的情況下,它們的出現(xiàn)率并未減少,因此推測在太陽活動低年,存在其他可能的源區(qū)。另外,通過對比磁洞列和非磁洞列事件磁場和等離子體特性,發(fā)現(xiàn)兩者的產(chǎn)生條件不同,因此推測它們的產(chǎn)生機制不同。在第五章中,我們研究了線性磁洞在太陽風(fēng)中的傳播特性,在挑選出的47個結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定(誤差范圍內(nèi),兩邊界以相同的速度沿同一個方向運動)的線性磁洞事件中,發(fā)現(xiàn)有27個線性磁洞與太陽風(fēng)是凍結(jié)的,這些事件很可能是鏡像模不穩(wěn)定性產(chǎn)生的,而另外的20個線性磁洞在太陽風(fēng)參照系中是傳播的,它們應(yīng)該不是鏡像模不穩(wěn)定性產(chǎn)生的,可能是孤波結(jié)構(gòu)。我們關(guān)注的另一類磁結(jié)構(gòu)是弓激波附近的太陽風(fēng)熱流異常事件。太陽風(fēng)熱流異常事件的主要特征是內(nèi)部存在被加熱的等離子體和物質(zhì)流的偏轉(zhuǎn)。一般認為,這些事件是由太陽風(fēng)間斷面(電流片)與行星的弓激波相互作用產(chǎn)生的。太陽風(fēng)間斷面與弓激波相互作用的過程中,離子被加熱加速,并被反射回來,聚集在間斷面附近而形成高溫高壓區(qū)域,引起結(jié)構(gòu)內(nèi)外壓力不再平衡,向外擴張。那么,太陽風(fēng)熱流異常事件如果膨脹,它的膨脹速度是多少呢?此外,這些事件一定會膨脹嗎?實際上,處于演化的早期階段的太陽風(fēng)熱流異常事件,其內(nèi)部存在兩股可區(qū)分的離子流,即太陽風(fēng)的入射流和反射流。然而,之前人們在計算溫度和壓強時,對處于演化早期階段的太陽風(fēng)熱流異常事件并沒有區(qū)分兩種成分,這很容易引起觀測結(jié)果的偏差并導(dǎo)致錯誤的結(jié)論。在本論文的第六章中,我們通過計算并比較太陽風(fēng)熱流異常事件兩邊界的速度,研究了這些結(jié)構(gòu)的傳播特性。我們挑選出了21個前后邊界都很清晰的事件。利用Timing方法計算事件邊界速度,并估算其誤差后,我們發(fā)現(xiàn)有4個事件在收縮,5個在膨脹,還有12個結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定,這與之前人們認為結(jié)構(gòu)總是在膨脹的理論預(yù)期以及簡單的觀測均不同。利用原始的速度分布數(shù)據(jù),通過積分,重新分別計算兩股流的密度、速度、熱壓和磁壓之后,我們發(fā)現(xiàn),熱壓與磁壓之和變化與結(jié)構(gòu)的演化特性符合的較好。進一步考慮兩股流的動壓對邊界的影響后,通過計算比較事件前邊界兩側(cè)以及后邊界兩側(cè)的總壓(熱壓、磁壓與動壓之和)變化,我們發(fā)現(xiàn)有70%的事件總壓變化符合結(jié)構(gòu)的伸縮特性。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：P353

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 ;Cases and statistical study on Hot Flow Anomalies with Cluster spacecraft data[J];Science China(Technological Sciences);2012年05期

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本文編號：1221952