等离子体片等离子体向内磁层的渗透

发布时间：2018-07-14 07:34

【摘要】：磁尾等离子体片是磁层内贮存热等离子体的重要区域。这些热等离子体沿开放轨道漂移到近地球区域后会绕开地球向日侧磁层顶漂移,形成一个环绕地球的缺少热等离子体的槽区。等离子体片与槽区间的分界处为等离子体片内边界。等离子体片内边界在平静时期位于地球磁尾10 RE左右,在地磁活动增强时这一边界向地球移动,等离子体片粒子随之进入内磁层甚至进入等离子体层顶以内。等离子体片粒子进入内磁层后对环电流增强及辐射带演化具有重要影响。进入到内磁层的等离子体片热电子还会引起卫星表面充电等空间天气灾害性现象。研究等离子体片等离子体进入内磁层的物理过程、各种因素及其中的主次关系对理解磁暴环电流的形成和外辐射带的变化以及空间天气预报都十分重要。本论文文围绕等离子体片等离子体向内磁层注入这一物理现象开展了理论和观测研究,主要内容如下:我们首先计算并分析了在复杂非对称磁场模型下磁层赤道面映射到(U,B)坐标系的问题。计算结果表明在复杂非对称模型下,要想将磁赤道面上的所有点一一对应地映射到(U,B)平面,需要在前人提出的分割线旁再添加两条辅助线,将磁赤道面重新分割为四部分,映射到三个(U,B)平面图中。粒子在这三个(U,B)平面图中的漂移轨道仍然为简单的直线,但漂移过程非常复杂。这时不但找出与离散数值形式的分割线相切的粒子轨道是困难的,甚至由与分割线相切的粒子轨道来划定开放轨道区域和闭合轨道区域这一图像是不清晰的。我们推导证明了磁层赤道面内粒子漂移轨道的停滞点与(U,B)空间内粒子直线轨道与分割线的切点一一对应。根据这一对应关系我们发展了一种新的计算阿尔芬层的方法。其优点是对复杂非对称的磁层电场和磁场模型仍然适用。我们将这一方法应用于解释先前研究中对同步轨道电子通量数据的统计结果,得到了与先前不同的结果。我们的结果表明用V-S电场模型和dipole+T89磁场模型数值计算得的阿尔芬层与同步轨道的交点与LANL卫星对电子通量观测的统计结果符合得很好。用我们发展的计算阿尔芬层的新方法,我们分别计算了在dipole+T96磁场模型与V-S电场模型组合和偶极子磁场模型与V-S电场模型组合下的离子能谱中的截止能量曲线。我们将这两种磁场模型计算得到的截止能量曲线进行了比较,并将这两种计算结果与THEMIS卫星观测事例中的离子能谱进行了比较。结果显示用这两种磁场模型计算得到的截止能量曲线在能量小于~10 ke V的范围内几乎是一致的。二者在~5 RE以外能量大于~10 keV的范围存在较大的差异,用偶极子磁场模型计算得的截止能量偏小。我们将两种计算结果与选取的两段themis卫星观测到的离子等离子体片内边界处离子能谱进行比较结果显示电场模型参数kp选择合适的值时,计算得的截止能量曲线与观测到的离子能谱在低能量段(~1kev)能够很好地吻合。这个kp值接近于观测到能谱的时间前几个小时内kp的最大值。这说明实际的离子等离子体片内边界的位置随kp变化时需要一定的响应时间。模型计算得的截止能量曲线与观测到的离子能谱不符的地方发生在鼻状结构的鼻子尖处以及高能段,并与地方时有关。在高能段用dipole+t96磁场模型计算得的结果比用偶极子场模型计算得的结果更接近于卫星观测。我们用themisa,d和e三颗卫星上的esa仪器在2009 2011年观测到的电子数据,对电子等离子体片内边界做了统计研究。通过设定卫星穿越电子等离子体片内边界的标准,我们得到了分布于各个地方时的卫星穿越电子等离子体片内边界事例。我们将地方时等分为24个区间,在各个区间内对卫星穿越电子等离子体片内边界的径向位置分别与经过抛物线插值的kp指数和ae指数的对数进行了线性相关性分析。统计结果表明在夜侧和晨侧的地方时区间(17-10mlt)通过设定恰当的滞后时间,电子等离子体片内边界的径向位置与二者都有很好的线性相关性。这些对kp指数和对ae指数的恰当的滞后时间都随地方时有规律地变化,但变化规律不同。通过拟合在各自地方时区间内使线性相关性分析中相关系数达到极值的滞后时间点,我们得到了两个分别对kp指数和对ae指数的不同的滞后时间随地方时变化函数。对kp指数滞后时间随地方时增加而逐渐地增加。对ae指数滞后时间在昏侧到子夜为零,在子夜后随地方时增加而逐渐地增加。但二者有相同的趋势,对kp指数和对ae指数的滞后时间随地方时的增加都与电子绕地球漂移的方向一致。这表明滞后时间可能是注入到子夜前的电子的漂移时间效应引起的。因为对同一个事例,与kp指数有关的大尺度对流电场和与ae指数有关的局地脉冲电场会同时影响电子等离子体片内边界,所以我们新建立的电子等离子体片内边界模型以kp指数和ae指数为参数,是一个基于对kp指数和对ae指数的滞后时间函数的动态模型。我们用tc-1卫星hia仪器在2004-2007年间观测到的热离子数据建立了一个离子等离子体片内边界的经验模型。为了研究不同地方时离子等离子体片内边界径向位置的变化,我们将所有地方时等分为8个区间。在这8个地方时区间内,我们将线性模型r=a+b·kp拟合到离子等离子体片内边界径向位置r与实时kp指数数据点上。我们得到了各个地方时区间内离子等离子体片内边界径向位置R随实时Kp指数变化的函数。在平静时期(Kp≤1.67),离子等离子体片内边界离地球最近的地方在1930-2230区间,离地球最远的地方在0430-0730区间。在2230-0130和0130-0430两个地方时区间R随Kp变化率最大(变化率B分别为-0.66和-0.67)。这意味着当Kp变化时,这两个地方时区的离子等离子体片内边界径向位置变化最快。我们的模型还给出当Kp从零逐渐增大时,离子等离子体片内边界最先进入同步轨道的地方在1930-2230地方时区间,然后逐渐向两边的地方时区扩展。
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本文编号：2120930