亚暴期间磁尾场向电流的观测研究

发布时间：2020-08-08 01:05

【摘要】：本论文基于多卫星探测方法对亚暴期间极区和磁尾区域场向电流进行了研究和分析,论文分为三大部分。第一部分涵盖前两章,第一章中简要介绍了亚暴现象及物理过程,并介绍了极区场向电路、越尾电流和亚暴电流楔大尺度空间电流相关背景知识;第二章中对MMS和Swarm卫星计划进行了简要说明,并介绍了多点卫星探测方法和卫星数据来源。在第二部分分析了2016年7月1日07:00 UT-10:00 UT发生的一次中等亚暴事件。在此次亚暴事件中,MMS四颗卫星在磁尾午夜区距地球11 RE位置处呈四面体结构,而Swarm三颗卫星以90分钟左右的周期在极轨轨道运行。在亚暴发生后,在电离层高纬度Swarm卫星依次观测到极区场向电流的突然增大,并且夏季半球数值明显高于冬季半球,单卫星和双星联合观测的结果是几乎一致的,原因是极区电流片的运动主要是沿着极轴运动,移动幅度不大,而且近地卫星的飞行速度远大于电流片的移动速度,所以单卫星就可以测得场向电流的方向和大小,MMS卫星在亚暴膨胀相峰值期间测得磁尾磁场扰动,磁场梯度急剧增大,并产生场向电流。单位磁通磁尾场向电流密度远大于单位磁通极区场向电流密度,磁尾电流完全可以驱动极区场向电流。在第三部分探讨了磁尾涡旋运动与场向电流形成之间的关联,从理论上分析,涡旋运动是驱动亚暴电流楔中惯性电流形成的原因之一,本文利用多卫星探测方法计算出卫星中心处的涡度。在MMS运行第一阶段,我们利用电漂移速度计算涡度,发现场向电流与涡度有着很好的对应关系,即顺时针运动的涡旋产生向上的电流,逆时针运动的涡旋产生向下的电流,但是在数值上没有看到明显的对应关系,利用固体旋转模型计算得到的电流密度与实测数据差距很大。在2017年6月16日的亚暴事件中,我们利用电漂移速度、电子速度和离子速度分别计算了涡度,但是发现利用电漂移速度可以看到涡旋运动,而利用电子和离子速度并不能看到明显的瞬时涡旋运动。本文尝试利用多卫星联合观测就不同区域场向电流之间的关联及驱动原因展开研究,其结果可以为亚暴电流楔的起源与特征提供新的线索和思路。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P353
【图文】：

图 1.1 2017 年 09 月 07 日 AU、AL、AE、AO 指数变化情况。1.2 大尺度电流体系日地空间大尺度电流体系是空间中带电粒子的运动形成的，而空间区域（如太阳风、磁层和电离层）环境的不同造成了带电粒子运动的差异。由于电流产生的物理过程和分布区域的差异，空间电流一般可分为磁层顶电流、环电流、电离层电流、场向电流和越尾电流等，图 1.2 给出了地球空间电流的分布情况。根据电流必须形成闭合回路的观点，科学家们划分了六大电流体系，虽然实际的电流结构和时空变化要复杂的多，但是上述电流体系还是大致覆盖了空间中电流的主要特征。本文主要研究的是Ⅰ区场向电流和磁尾场向电流。

图 1.2 磁层中的电流体系 (Frey et al., 2007)。1.2.1 越尾电流IMP (Interplanetary Monitoring Platform)卫星计划的成功实施为人们揭示了磁尾结构的存在，磁尾磁力线被拉伸至月球轨道甚至更远 (Ness, 1965; Speiserand Ness, 1967)，继而科学家们发现在磁尾区域磁力线方向转变的区域存在细长的中性片，而这一电流几乎将磁尾均匀的一分为二 (e.g., Bame et al., 1967;Fairfield et al., 1979; Owen et al., 1995)，图 1.3 是越尾电流示意图，蓝色箭头方向代表了磁尾电流的流动方向。

图 1.3 越尾电流空间示意图 (Ganushkina et al., 2018)。越尾电流是磁层中空间尺度最大的电流体系，由于太阳风质量、动量和能量层的传输主要发生在磁尾，而且中性片不稳定性的上升会导致磁层亚暴的发(e.g., Lui, 1991; Baker et al., 1996)，所以研究越尾电流十分重要。越尾电流由两部分组成，首先是把磁尾分为南北两瓣的磁尾中性片电流，其是从晨侧流向昏侧（图中横向箭头），带电粒子运动到磁尾边界层后，沿着磁层顶回到晨侧（图中纵向箭头），形成了整体形状像希腊字母 θ 的半圆形管，这部分电流叫做磁尾磁层顶电流。越尾电流密度的数量级为质子电流密.7×10-9A/m2和电子电流密度 2.0×10-8A/m2，总电流密度为 24 nA/m2，考虑流片很长，电流密度也可以按长度给出，即 30 k m或者是2 105RE ，是说每五个地球半径携带106电流。在整个磁层尺度而言，越尾电流是一久且稳定的电流系统，但就小尺度而言，越尾电流包含了好几个动力学电流，尺度场向电流 (e.g., Sergeev et al., 1996; Nakamura et al., 2001; Takada et al.,

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本文编号：2784799