【摘要】：磁尾等離子體片是磁層內(nèi)貯存熱等離子體的重要區(qū)域。這些熱等離子體沿開(kāi)放軌道漂移到近地球區(qū)域后會(huì)繞開(kāi)地球向日側(cè)磁層頂漂移,形成一個(gè)環(huán)繞地球的缺少熱等離子體的槽區(qū)。等離子體片與槽區(qū)間的分界處為等離子體片內(nèi)邊界。等離子體片內(nèi)邊界在平靜時(shí)期位于地球磁尾10 RE左右,在地磁活動(dòng)增強(qiáng)時(shí)這一邊界向地球移動(dòng),等離子體片粒子隨之進(jìn)入內(nèi)磁層甚至進(jìn)入等離子體層頂以內(nèi)。等離子體片粒子進(jìn)入內(nèi)磁層后對(duì)環(huán)電流增強(qiáng)及輻射帶演化具有重要影響。進(jìn)入到內(nèi)磁層的等離子體片熱電子還會(huì)引起衛(wèi)星表面充電等空間天氣災(zāi)害性現(xiàn)象。研究等離子體片等離子體進(jìn)入內(nèi)磁層的物理過(guò)程、各種因素及其中的主次關(guān)系對(duì)理解磁暴環(huán)電流的形成和外輻射帶的變化以及空間天氣預(yù)報(bào)都十分重要。本論文文圍繞等離子體片等離子體向內(nèi)磁層注入這一物理現(xiàn)象開(kāi)展了理論和觀測(cè)研究,主要內(nèi)容如下:我們首先計(jì)算并分析了在復(fù)雜非對(duì)稱磁場(chǎng)模型下磁層赤道面映射到(U,B)坐標(biāo)系的問(wèn)題。計(jì)算結(jié)果表明在復(fù)雜非對(duì)稱模型下,要想將磁赤道面上的所有點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)地映射到(U,B)平面,需要在前人提出的分割線旁再添加兩條輔助線,將磁赤道面重新分割為四部分,映射到三個(gè)(U,B)平面圖中。粒子在這三個(gè)(U,B)平面圖中的漂移軌道仍然為簡(jiǎn)單的直線,但漂移過(guò)程非常復(fù)雜。這時(shí)不但找出與離散數(shù)值形式的分割線相切的粒子軌道是困難的,甚至由與分割線相切的粒子軌道來(lái)劃定開(kāi)放軌道區(qū)域和閉合軌道區(qū)域這一圖像是不清晰的。我們推導(dǎo)證明了磁層赤道面內(nèi)粒子漂移軌道的停滯點(diǎn)與(U,B)空間內(nèi)粒子直線軌道與分割線的切點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)。根據(jù)這一對(duì)應(yīng)關(guān)系我們發(fā)展了一種新的計(jì)算阿爾芬層的方法。其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)復(fù)雜非對(duì)稱的磁層電場(chǎng)和磁場(chǎng)模型仍然適用。我們將這一方法應(yīng)用于解釋先前研究中對(duì)同步軌道電子通量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,得到了與先前不同的結(jié)果。我們的結(jié)果表明用V-S電場(chǎng)模型和dipole+T89磁場(chǎng)模型數(shù)值計(jì)算得的阿爾芬層與同步軌道的交點(diǎn)與LANL衛(wèi)星對(duì)電子通量觀測(cè)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果符合得很好。用我們發(fā)展的計(jì)算阿爾芬層的新方法,我們分別計(jì)算了在dipole+T96磁場(chǎng)模型與V-S電場(chǎng)模型組合和偶極子磁場(chǎng)模型與V-S電場(chǎng)模型組合下的離子能譜中的截止能量曲線。我們將這兩種磁場(chǎng)模型計(jì)算得到的截止能量曲線進(jìn)行了比較,并將這兩種計(jì)算結(jié)果與THEMIS衛(wèi)星觀測(cè)事例中的離子能譜進(jìn)行了比較。結(jié)果顯示用這兩種磁場(chǎng)模型計(jì)算得到的截止能量曲線在能量小于~10 ke V的范圍內(nèi)幾乎是一致的。二者在~5 RE以外能量大于~10 keV的范圍存在較大的差異,用偶極子磁場(chǎng)模型計(jì)算得的截止能量偏小。我們將兩種計(jì)算結(jié)果與選取的兩段themis衛(wèi)星觀測(cè)到的離子等離子體片內(nèi)邊界處離子能譜進(jìn)行比較結(jié)果顯示電場(chǎng)模型參數(shù)kp選擇合適的值時(shí),計(jì)算得的截止能量曲線與觀測(cè)到的離子能譜在低能量段(~1kev)能夠很好地吻合。這個(gè)kp值接近于觀測(cè)到能譜的時(shí)間前幾個(gè)小時(shí)內(nèi)kp的最大值。這說(shuō)明實(shí)際的離子等離子體片內(nèi)邊界的位置隨kp變化時(shí)需要一定的響應(yīng)時(shí)間。模型計(jì)算得的截止能量曲線與觀測(cè)到的離子能譜不符的地方發(fā)生在鼻狀結(jié)構(gòu)的鼻子尖處以及高能段,并與地方時(shí)有關(guān)。在高能段用dipole+t96磁場(chǎng)模型計(jì)算得的結(jié)果比用偶極子場(chǎng)模型計(jì)算得的結(jié)果更接近于衛(wèi)星觀測(cè)。我們用themisa,d和e三顆衛(wèi)星上的esa儀器在2009 2011年觀測(cè)到的電子數(shù)據(jù),對(duì)電子等離子體片內(nèi)邊界做了統(tǒng)計(jì)研究。通過(guò)設(shè)定衛(wèi)星穿越電子等離子體片內(nèi)邊界的標(biāo)準(zhǔn),我們得到了分布于各個(gè)地方時(shí)的衛(wèi)星穿越電子等離子體片內(nèi)邊界事例。我們將地方時(shí)等分為24個(gè)區(qū)間,在各個(gè)區(qū)間內(nèi)對(duì)衛(wèi)星穿越電子等離子體片內(nèi)邊界的徑向位置分別與經(jīng)過(guò)拋物線插值的kp指數(shù)和ae指數(shù)的對(duì)數(shù)進(jìn)行了線性相關(guān)性分析。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明在夜側(cè)和晨側(cè)的地方時(shí)區(qū)間(17-10mlt)通過(guò)設(shè)定恰當(dāng)?shù)臏髸r(shí)間,電子等離子體片內(nèi)邊界的徑向位置與二者都有很好的線性相關(guān)性。這些對(duì)kp指數(shù)和對(duì)ae指數(shù)的恰當(dāng)?shù)臏髸r(shí)間都隨地方時(shí)有規(guī)律地變化,但變化規(guī)律不同。通過(guò)擬合在各自地方時(shí)區(qū)間內(nèi)使線性相關(guān)性分析中相關(guān)系數(shù)達(dá)到極值的滯后時(shí)間點(diǎn),我們得到了兩個(gè)分別對(duì)kp指數(shù)和對(duì)ae指數(shù)的不同的滯后時(shí)間隨地方時(shí)變化函數(shù)。對(duì)kp指數(shù)滯后時(shí)間隨地方時(shí)增加而逐漸地增加。對(duì)ae指數(shù)滯后時(shí)間在昏側(cè)到子夜為零,在子夜后隨地方時(shí)增加而逐漸地增加。但二者有相同的趨勢(shì),對(duì)kp指數(shù)和對(duì)ae指數(shù)的滯后時(shí)間隨地方時(shí)的增加都與電子繞地球漂移的方向一致。這表明滯后時(shí)間可能是注入到子夜前的電子的漂移時(shí)間效應(yīng)引起的。因?yàn)閷?duì)同一個(gè)事例,與kp指數(shù)有關(guān)的大尺度對(duì)流電場(chǎng)和與ae指數(shù)有關(guān)的局地脈沖電場(chǎng)會(huì)同時(shí)影響電子等離子體片內(nèi)邊界,所以我們新建立的電子等離子體片內(nèi)邊界模型以kp指數(shù)和ae指數(shù)為參數(shù),是一個(gè)基于對(duì)kp指數(shù)和對(duì)ae指數(shù)的滯后時(shí)間函數(shù)的動(dòng)態(tài)模型。我們用tc-1衛(wèi)星hia儀器在2004-2007年間觀測(cè)到的熱離子數(shù)據(jù)建立了一個(gè)離子等離子體片內(nèi)邊界的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ�。為了研究不同地方時(shí)離子等離子體片內(nèi)邊界徑向位置的變化,我們將所有地方時(shí)等分為8個(gè)區(qū)間。在這8個(gè)地方時(shí)區(qū)間內(nèi),我們將線性模型r=a+b·kp擬合到離子等離子體片內(nèi)邊界徑向位置r與實(shí)時(shí)kp指數(shù)數(shù)據(jù)點(diǎn)上。我們得到了各個(gè)地方時(shí)區(qū)間內(nèi)離子等離子體片內(nèi)邊界徑向位置R隨實(shí)時(shí)Kp指數(shù)變化的函數(shù)。在平靜時(shí)期(Kp≤1.67),離子等離子體片內(nèi)邊界離地球最近的地方在1930-2230區(qū)間,離地球最遠(yuǎn)的地方在0430-0730區(qū)間。在2230-0130和0130-0430兩個(gè)地方時(shí)區(qū)間R隨Kp變化率最大(變化率B分別為-0.66和-0.67)。這意味著當(dāng)Kp變化時(shí),這兩個(gè)地方時(shí)區(qū)的離子等離子體片內(nèi)邊界徑向位置變化最快。我們的模型還給出當(dāng)Kp從零逐漸增大時(shí),離子等離子體片內(nèi)邊界最先進(jìn)入同步軌道的地方在1930-2230地方時(shí)區(qū)間,然后逐漸向兩邊的地方時(shí)區(qū)擴(kuò)展。
[Abstract]:紓佸熬絳夌瀛愪綋鐗囨槸紓佸眰鍐呰串瀛樼儹絳夌瀛愪綋鐨勯噸瑕佸尯鍩，

本文編號(hào)：2120930