利用多点卫星探测分析地球磁尾动力学过程及磁暴环电流分布规律

发布时间：2017-09-29 19:35

  本文关键词：利用多点卫星探测分析地球磁尾动力学过程及磁暴环电流分布规律

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【摘要】：利用传统的单点卫星探测,并不能够将磁层物理过程中的空间变化和时间变化区分开来。近年来,在磁层研究中陆续发射的多点卫星探测项目,如Cluster、THEMIS、SWARM以及MMS计划能够有效解决这一空间难题,本文将利用Cluster以及THEMIS三到四点探测,重点研究磁尾磁通量在亚暴及磁暴中的演化过程、磁尾磁通量绳精细结构、磁暴环电流的全球分布及其对地磁场几何结构的扰动效应。主要研究方法及结论如下:1.利用Cluster位于磁尾瓣时的四点探测,结合最新磁层顶模型给出的磁尾结构参数,计算了磁尾磁通量的数值,重点分析了其在亚暴及磁暴时期的演化规律。初步研究结果表明,磁尾磁通量在增长相阶段持续增加,直至某一临界值时开始减小,这一过程通常对应亚暴膨胀相或恢复相。亚暴与磁暴强度依赖于磁尾磁通量的值;一般来说,磁尾磁通量越大,亚暴强度越强,说明能量输入越多;在强磁暴时期,磁尾磁通量的值更强。这项工作对定量分析和监测亚暴与磁暴期间磁尾储存磁能、触发和能量释放过程具有重要应用价值。2.我们挑选了2001年至2004年间Cluster穿越磁尾磁通量绳(MFRs)的13例事件,利用多点探测方法研究了MFRs的无力位形结构(满足J′B=0的磁场位形)。研究显示,在MFRs中心附近,磁场梯度最弱而磁力线曲率半径和电流密度最大。电流密度越强、等离子体β越小,则MFRs更接近于无力位形结构,这与理论分析一致。在MFRs的中心附近存在一个准无力位形区域,电流基本沿场向且正比于磁场强度,磁场结构更接近无力位形。统计结果还表明,约60%的磁通量事件可看做近似满足无力位形结构。在准无力位形区域,无力因子α并不是一个常数,说明MFRs是非线性无力场。该项研究第一次系统地回答了磁尾磁通量绳是否为无力位形的问题。它对发展磁通量绳模型具有重要参考价值,同时它还对其它区域磁通量绳的研究具有启发意义。3.统计了磁暴期间Cluster在近地点附近穿越环电流的48例事件,给出了地心距离4RE附近环电流的分布特征及当地磁力线几何结构的变化。该项研究首次通过直接探测定量化确认磁暴期间内磁层磁场几何结构的变化。在磁暴期间,随着磁暴强度的增加,整个环电流区域磁力线曲率半径减小。特别在超强磁暴时期,磁力线曲率半径大小只有宁静时期的约1/3。研究结果还表明,磁力线的几何结构以及环电流的分布均存在地方时的不对称性。在相同强度的磁暴条件下,磁力线的曲率半径在夜侧最小,昏侧次之,晨侧居中,日侧最大。强磁暴时期的磁力线的这种几何结构变化对环电流区域、等离子体层区域以及辐射带区域的粒子动力学过程会产生重要影响。4.结合THEMIS的三点探测轨道优势,首次由直接观测得到磁暴期间除晨侧外的整个内磁层赤道面4-12RE区域的电流分布特征。该项研究给出了电流密度的径向分布规律:在r4.8RE的区域(r为地心距),电流密度基本沿东向;而在r=5-7.5RE的区域,电流主要为西向,随r的增加而减小且呈现一定的磁地方时分布;当r7.5RE时,西向电流基本不随r变化。本研究还发现,东西向环电流的边界随磁活动的增强而向地球一侧移动,在弱磁活动时期,东向电流可延伸至r=5RE的区域。这项工作为进一步探测分析磁暴环电流的分布规律以及揭示磁暴环电流机理打下良好基础。
【关键词】：多点卫星探测 亚暴 磁暴 磁尾磁通量 磁通量绳 无力位形 环电流 磁层电流 磁场几何结构
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P353
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-18
• 第一章 前言18-27
• 1.1 亚暴18-22
• 1.1.1 亚暴及观测现象18-20
• 1.1.2 AU，AL，，AE，AO指数20-22
• 1.2 磁暴22-26
• 1.2.1 磁暴简介22-23
• 1.2.2 Dst、SYM、Dst*指数23-25
• 1.2.3 磁暴的分类及各相25-26
• 1.3 本章总结及论文结构介绍26-27
• 第二章 卫星计划及数据分析方法27-50
• 2.1 Cluster卫星计划27-30
• 2.1.1 基本运行情况27-29
• 2.1.2 有效载荷及成果29-30
• 2.2 THEMIS卫星计划30-35
• 2.2.1 主要目标30-32
• 2.2.2 轨道信息及有效载荷32-35
• 2.3 SWRAM计划35-38
• 2.3.1 目标及基本参数35
• 2.3.2 轨道信息及有效载荷35-38
• 2.4 多点探测分析方法38-47
• 2.4.1 磁场曲率分析（MCA）方法及磁旋转分析（MRA）方法38-42
• 2.4.2 卫星多点探测的一般性方法42-44
• 2.4.3 Curlometer方法44-46
• 2.4.4 多点探测方法的补充说明46-47
• 2.5 卫星观测数据的获取及磁层分析常用坐标系47-49
• 2.5.1 卫星观测数据的获取47
• 2.5.2 磁层分析常用坐标系47-49
• 2.6 本章小结49-50
• 第三章 磁尾磁通量在亚暴及磁暴期间的演化：初步结果50-64
• 3.1 引言50-52
• 3.2 方法介绍52-55
• 3.3 孤立亚暴期间磁尾磁通量演化55-58
• 3.4 外部触发亚暴的磁尾磁通量演化58
• 3.5 连续亚暴过程磁尾磁通量演化58-63
• 3.6 本章总结及讨论63-64
• 第四章 磁尾磁通量绳无力位形结构研究64-87
• 4.1 磁通量绳简介64-66
• 4.2 磁通量绳的无力位形结构研究及现状66-71
• 4.3 磁通量绳的磁场几何结构特性71-84
• 4.3.1 事例 1：2003年10月 2 日满足无力位形结构事例71-76
• 4.3.2 事例 2：2002年8月 13日不满足无力位形结构事例76-79
• 4.3.3 个例分析的总结79
• 4.3.4 MFR的一般特性79-84
• 4.4 本章小结及讨论84-87
• 第五章 环电流分布及其磁场结构研究87-115
• 5.1 磁层三维电流体系87-91
• 5.2 环电流91-112
• 5.2.1 环电流粒子的起源91
• 5.2.2 环电流的形成机制91-94
• 5.2.3 环电流分布及磁场结构研究的现状94-98
• 5.2.4 磁暴时期环电流分布及磁场结构的研究98-106
• 5.2.5 磁暴期间内磁层赤道面附近的电流分布：THEMIS观测结果106-112
• 5.3 本章讨论及总结112-115
• 第六章 总结与展望115-118
• 6.1 主要结论115-116
• 6.2 未来工作展望116-118
• 参考文献118-135
• 作者简介135-136
• 发表及待发表文章目录136-138
• 致谢138-139

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 刘连光;刘春明;张冰;;磁暴对我国特高压电网的影响研究[J];电网技术;2009年11期

2 徐文耀;;地磁与空间物理资料的组织和相关坐标系[J];地球物理学进展;2006年04期

本文编号：943878