利用雙星和Cluster Ⅱ等對地球磁層的觀測和分析研究.pdf

1、磁層是地球空間環(huán)境中非常重要的區(qū)域，又是空間物理研究中十分活躍的研究對象。本文主要以分析觀測資料為主，同時(shí)通過一些數(shù)值模擬和反演，對當(dāng)今磁層物理中相關(guān)的熱點(diǎn)問題進(jìn)行分析研究。 根據(jù)ClusterⅡ四顆衛(wèi)星觀測資料，重點(diǎn)分析了2001年8月19日2011-2030UT期間的電流片結(jié)構(gòu)。這期間AE指數(shù)相對較小(40-130 nT)。發(fā)現(xiàn)寧靜期間存在雙峰電流片，這期間沒有明顯的高速流，沒有明顯的電流片振蕩。同時(shí)，進(jìn)一步分析雙峰電流片中

2、的離子特性發(fā)現(xiàn)：質(zhì)子數(shù)密度Np在中性線(=0)附近相對較大，呈非對稱性分布；質(zhì)子溫度分布比較均勻；在中性線兩側(cè)，質(zhì)子y方向上的流速Vy方向相反。最后討論LHDI(低混雜漂移不穩(wěn)定性)的非線性演化可能是形成寧靜期間雙峰電流片的主要機(jī)制。這些對進(jìn)一步完善電流片形成機(jī)制可能有很重要的意義。 通過分析2003年9月19日的近地磁結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)亞暴事件中有多個(gè)地向傳播的等離子體團(tuán)和通量繩在近磁尾存在。地向傳播的等離子體團(tuán)是By和Bz分

3、量均呈雙極型變化的磁結(jié)構(gòu)。嵌在地向等離子體流中的兩個(gè)通量繩結(jié)構(gòu)，可以稱為“BBF-型”通量繩。基于Bz分量的變化，第一個(gè)通量繩結(jié)構(gòu)的直徑和持續(xù)時(shí)間分別是0.7 RE和20 s。而第二個(gè)通量繩結(jié)構(gòu)的直徑和持續(xù)時(shí)間分別是1.4 RE和30 s。研究還發(fā)現(xiàn)，地向傳播的等離子體團(tuán)和通量繩可能對內(nèi)磁層的磁場偶極化和電子注入產(chǎn)生影響。地向傳播的等離了體團(tuán)和通量繩可以被解釋為多重X-lines重聯(lián)(MRX)的證據(jù)。這與多個(gè)尾向等離子體團(tuán)/通量繩在強(qiáng)地

4、磁活動中重復(fù)形成和噴射是一致的。 根據(jù)THEMIS衛(wèi)星觀測資料，對2008年3月13日亞暴事件近地等離子體片進(jìn)行了觀測和分析。發(fā)現(xiàn)越尾電流減?。袛嘧钕仍赬～-9.5 RE，y～2.0RE發(fā)生，其特征是磁場｜Bx｜突然大幅度下降以及等離子體密度和溫度的突然升高，這表明局地等離子體片的迅速膨脹。在等離子體膨脹期間，電流中斷在X方向上傳播的速度為48 km·s-1且以35 km·s-1的經(jīng)向速度擴(kuò)展。在等離子體片內(nèi)邊界，緩慢的磁通量

5、也被觀測到。大磁通量堆積在高速流阻塞區(qū)被觀測到，其特征是磁場Bz和總磁場Bt增強(qiáng)以及等離子體密度、熱壓Pth和β的下降。在高速流阻塞區(qū)，尾向傳播的電流中斷也被觀測到?？傊诮盼矁?nèi)邊界中的偶極化主要是電流中斷造成的，而在高速流阻塞區(qū)的偶極化尾向傳播主要是磁通量堆積造成的。發(fā)生在亞暴膨脹相開始之前的磁場｜Bx｜突然大幅度下降，很難解釋是電流中斷的尾向傳播產(chǎn)生的。磁場位形的急劇變化可能是由于中磁尾(20-30 RE)磁場重聯(lián)造成的。在亞暴

6、膨脹相開始之前，磁尾重聯(lián)可能會導(dǎo)致近地磁場位形的突然變化，這可能進(jìn)一步導(dǎo)致這一區(qū)域不穩(wěn)定性的發(fā)生，最終觸發(fā)電流中斷。 根據(jù)ClusterⅡ衛(wèi)星觀測資料，對2003年11月20日磁暴主相期間黃昏側(cè)的磁鞘進(jìn)行觀測研究，發(fā)現(xiàn)磁鞘中磁場Bz分量大約是-60 nT，這和ACE衛(wèi)星觀測基本一致。同時(shí)，磁鞘中離子速度分布對磁鞘中的磁場方向有很強(qiáng)的依賴性。磁鞘中行星際電場Ey大約是50 mV／m。磁鞘中這些極端的磁場、電場和離子流動驅(qū)動了迄今2

7、3個(gè)太陽活動周期中第二大磁暴事件，其Dst指數(shù)是-472 nT。研究還發(fā)現(xiàn)，磁鞘中離子數(shù)密度比較低，這可能是磁云經(jīng)過地球時(shí)太陽風(fēng)的低密度造成的。磁鞘中能量范圍為1-10 keV的H+，He+和He++的數(shù)密度主要是由磁鞘中太陽風(fēng)密度決定的。在極端的南向行星際條件下，磁層頂受到很強(qiáng)的壓縮。氧離子可以利用其較大的回旋半徑，在壓縮的磁層項(xiàng)和磁鞘對流的共同影響下進(jìn)入磁鞘。這也表明磁層對極端行星際條件的一種響應(yīng)。ClusterⅡ衛(wèi)星在2003年1

8、1月20日磁暴事件中的觀測研究，對進(jìn)步全面認(rèn)識大磁暴事件有很重要的作用。 利用2005年5月8日磁暴事件，對反演ENA/NUADU圖象得到的離子通量分布和利用CRCM環(huán)電流模型得到的離子通量分布進(jìn)行比較。在1540 UT，對于NUADU第一能道(氫：45-50 keV；氧：92-138 keV)的ENA增強(qiáng)區(qū)出現(xiàn)在子夜前。半個(gè)小時(shí)后(1610 UT)，ENA增強(qiáng)區(qū)轉(zhuǎn)移到子夜區(qū)。在1540 UT，反演的離子通量峰值位于子夜前，而在

9、1610 UT離子通量的峰值位于子夜區(qū)。在L=2到L=4之間的區(qū)域，一個(gè)環(huán)狀電流位形基本形成。離子通量峰值大約是2.2×105s-1cm-2sr-1keV-1。反演的離子通量分布很好地反映了NUADU的觀測。反演ENA/NUADU數(shù)據(jù)得到的離子通量分布和利用CRCM環(huán)電流模型得到的離子通量分布的比較表明，兩種方法在大尺度離子分布位形和離子通量峰值幅度方面是一致的。兩種方法的一致性使得我們更有信心利用中性原子成像和數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)一步去研究