地球磁尾超低频波动

发布时间：2017-12-25 06:26

本文关键词：地球磁尾超低频波动　出处：《中国科学技术大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：超低频(ULF)波动的周期约为1-1000s。这些波动在地球磁层中发挥着重要的作用,如能量的沉降、传输和耗散等。磁尾是一个非常复杂的系统,里面有很多动力学过程,而ULF波动是磁尾里的重要现象。磁尾有三个主要的区域,分别是等离子体片、等离子体片边界层和尾瓣。本论文的工作主要集中于等离子体片和尾瓣里的ULF波动。我们使用2001至2009年期间的Cluster卫星数据研究了这两个区域里的ULF波动或扰动。具体研究结果如下：1、等离子体片ULF波动Pi2脉动(周期40-150s)是亚暴期间的一个重要现象。等离子体片里有大量Pi2频段的波动。我们的统计结果表明等离子体快速流是等离子体片里Pi2频段波动的主要驱动源。相对少的一部分波动显示等离子体片里的其他机制也对Pi2频段波动的产生有贡献。所有波动的离子热压和磁压呈反相位变化,表示这些波动具有慢模波的特征。近地等离子体片里的Pi2频段波动可能与地面Pi2脉动有关。我们研究了2004年10月15日1235-1300 UT期间的一个电流片波动事件。在Cluster卫星足点附近的TIK地磁台站观测到3个Pi2脉动,其开始时刻分别约为1236UT、1251 UT和1255 UT。开始于1236UT周期约为40s的Pi2脉动的产生机制目前还不清楚。发生在1251 UT周期约为90 s的Pi2脉动与Cluster卫星所探测到的一个强的场向电流有关；我们认为此Pi2脉动可能是由携带场向电流的阿尔芬波在南北电离层之间来回反弹产生。第三个Pi2脉动,其周期约为60s,有三个几乎没有衰减的波形。此脉动与Cluster卫星探测到的经过72s时间平移后的场向电流一一对应；因此,我们认为此Pi2脉动是由这些周期性的场向电流产生。此外,我们也发现一个扭曲型中性片波动事件与地面Pi2脉动有关。此波动周期在40-60 s之间,其Bx和BY分量占主导,并伴随着强的场向电流；而这些电流与地面KTN和TIK台站所观测的Pi2脉动的波形一一对应。此Pi2脉动在经向上向西传播速度约6 km/s,和中性片波动传播速度在地面相同纬度上的投影相当(约4 km/s)。我们认为此扭曲型中性片波动可以通过场向电流在高纬度产生Pi2脉动。磁场双梯度不稳定性可以解释此中性片波动。近年来的研究报道了偶极化锋面(DF)附近的波动。我们研究了位于DF前的磁场压缩结构,发现这些压缩结构在中性片附近,其Bz占主导；它们相对于等离子体流几乎静止,且长度为几个质子回旋半径；离子密度随总磁场减少而增加；部分离子被此结构捕获,其平行速度和垂直速度反相位变化；当地条件满足激发磁镜不稳定性。因此,我们认为这些压缩结构为磁镜模,而DF前的等离子体环境有可能激发磁镜不稳定性。2、磁尾尾瓣ULF波动尽管磁尾尾瓣相对平静,但这里仍然有很多ULF波动。我们统计了尾瓣里263个Pi2频段波动和161个Pc5频段(周期150-600s)波动。统计结果如下：(1)90%的Pi2(Pc5)频段波动其磁场剪切和压缩分量的平均波幅度分别低于0.25(0.36)nT和0.16(0.39)nT；(2)Pi2频段波动在靠近等离子体片的尾瓣里更容易被观测到,而Pc5频段波动可出现在整个尾瓣；(3)尾瓣波动的幅度与AE指数的相关性较弱,但波动的幅度在AE指数更大时趋于更大；(4)波动幅度在太阳风速度、动压及动压的变化增大时趋于更大；Pc5频段波动的幅度与太阳风动压变化大小的相关系数可达0.58。我们认为等离子体片和等离子体片边界层的动力学过程(内源)以及太阳风条件(外源)都有利于尾瓣波动的产生；Pi2频段波动受内源影响更大,而太阳风动压的显著变化能在尾瓣里产生压缩的Pc5频段波动。接下来,我们研究了3个周期在2至20 min的尾瓣磁场波动事件及其与太阳风参数的关系。研究结果如下：(1)2009年10月4日的波动在南尾瓣被观测到,其Bx和Bz分量占主导,传播速度约为(-204,-68,-541) km/s,逆时针方向极化：此波动与太阳风动压变化每个周期的波形都能一一对应,且尾瓣总压强与太阳风动压的变化趋势一致；(2)2004年8月11日的波动,其Bx和BY分量占主导,并伴随着行星际磁场(IMF) By和太阳风速度Y分量的显著变化；此波动的传播速度约为(-548,-316,109)km/s；其BY分量的波形和IMFBy的波形相似且呈反相位关系；(3)2003年8月20日的波动,其BY分量的波形与Bx及Bz的波形不同；By与IMF By反相位变化。我们的研究结果支持准周期太阳风动压的变化可以挤压磁尾尾瓣从而产生Bx和By分量波动的解释；另外,我们认为准周期变化的IMF By和太阳风速度Y分量对尾瓣Bx和By分量波动的产生有贡献。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P353

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