磁云边界层中的磁场重联与局地加热

论文摘要

磁云是行星际空间中的一种大尺度瞬态结构,是引发空间天气灾害性事件的重要行星际源之一。磁云在行星际传播的过程中可能与背景太阳风发生复杂的相互作用,形成磁云边界层。本文对磁云边界层中的磁场重联、间歇结构和局地加热作了一些观测研究,并对磁云鞘区内的湍流间歇加热作了初步研究,主要研究结果如下:1.证认了行星际磁场重联排空区边界的慢激波对。太阳风中磁场重联的直接证据是基于Petschek模型的一对背靠背阿尔芬波,过去十几年里,虽然有大量的行星际磁场重联区得到报道,但是作为Petschek型磁场重联重要观测特征的一对慢激波边界却很少得到过证认。我们在WIND飞船观测到的一个磁云前边界层中,发现了一个行星际磁场重联排空区,并在其边界附近利用Rankine-Hugoniot关系严格证认了一对慢激波,为行星际磁场重联观测提供了有力的证据——无碰撞太阳风中的磁场重联确实能产生Petschek型排空区,同时也为行星际慢激波来源提供了一种可靠的解释——行星际磁场重联。2.在湍动的磁云边界层中证认了两个相邻的重联排空区,发现边界层中的湍流磁场功率谱与背景太阳风不同。以往的行星际磁场重联观测显示在ICME边界很少观测到磁场重联排空区的特征。我们在一个湍动剧烈的磁云边界层中证认了两个相邻的重联排空区,说明磁云边界层中可能发生多点多次重联,从而不表现出单点重联的排空区特征,这可能是行星际磁场重联排空区较少在ICME前端被观测到的原因之一。我们还对此边界层和前方鞘区的磁场功率谱进行了分析,发现在鞘区中磁场功率谱呈Kolmogorov功率谱特性,在惯性区斜率为-1.67,离子尺度以下的耗散区斜率为-2.28;而在磁云边界层中,磁场功率谱在惯性区斜率为-1.39,耗散区斜率为-2.86,表现出了不同的性质,具体原因有待进一步分析。3.发现磁云边界层中有更多的强间歇结构,在这些间歇结构附近表现出了明显的局地加热效应。之前关于磁云边界层中的磁场和等离子体特性统计研究表明,磁云边界层中的磁场强度下降,方向发生急剧改变,同时等离子体温度会比邻近鞘区和磁云本体都要高。我们用PVI方法统计分析了磁云边界层和邻近鞘区中的磁场间歇结构分布,发现磁云边界层中含有更稠密的强间歇结构。PVI的阈值越高,磁云边界层中鉴定出来的间歇结构数量比邻近鞘区超出的比例越多。另外,在这些强间歇结构附近能观测到明显的离子温度升高,我们猜测磁云边界层中的局地温度升高可能与这些间歇结构处发生的磁场重联有关。4.发现磁云鞘区中的间歇结构加热效应只在强电流片附近比较显著,但是这类间歇结构在鞘区中所占的比例太低。另外,强电流片附近的离子温度增量与电流片的尺度密切相关,电流片的尺度越小,增量越显著。我们统计分析了磁云鞘区中间歇结构周边的离子温度平均值,发现在间歇结构附近离子温度并没有明显的升高（仅为3%）,通过对间歇结构的分类统计,我们发现间歇结构加热效应只在强电流片附近比较显著,但是这种强电流片只占所有鉴定出来的间歇结构的13%,所以整体平均之后离子温度在间歇结构附近并没有明显的提升。另外,我们分析了不同尺度的强电流片附近的局地加热效应,发现只有在尺度较小的强电流片附近才有明显的离子温度升高,且局限在很小的空间范围内（<105km）。此外,作者曾对三维磁场重联的理论模型进行调研,并对一些代表性工作的理论推导过程进行了重复,虽然在这个课题上并没有取得可以发表的成果,为了完整记录作者博士期间的工作,在文中对相关工作进行了简要介绍。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 ICME和磁云简介
•   1.2 磁云边界层简介
•     1.2.1 磁云边界层的界定
•     1.2.2 磁云边界层中的磁场和等离子体特性
•   1.3 磁场重联简介
•     1.3.1 经典的磁场重联理论
•     1.3.2 无碰撞磁场重联
•     1.3.3 湍动等离子体中的磁场重联
•   1.4 太阳风中的磁场重联
•     1.4.1 行星际磁场重联排空区
•     1.4.2 行星际磁场重联的特点
•     1.4.3 磁云边界层中的磁重联
•   1.5 太阳风中的湍流与局地加热
•     1.5.1 太阳风中的间断面与湍流间歇结构
•     1.5.2 太阳风中的间歇加热
•     1.5.3 磁云边界层中的间断与加热
•   1.6 小结
• 第2章 磁云边界层中的Petschek型磁场重联慢激波对
•   2.1 引言
•   2.2 行星际慢激波的观测与证认
•     2.2.1 MHD激波与R-H关系
•     2.2.2 慢激波的证认方法
•     2.2.3 太阳风中的慢激波观测
•   2.3 磁云边界层中的Petschek型重联排空区事件
•     2.3.1 WIND飞船于1998年6月2日观测到的磁云及其前边界层
•     2.3.2 磁云边界层中的重联喷流
•   2.4 Petschek型重联排空区边界附近的慢激波证认
•   2.5 讨论
•   2.6 小结
• 第3章 湍动磁云边界层中的多个行星际磁重联排空区
•   3.1 引言
•   3.2 观测与分析
•     3.2.1 WIND飞船于1995年10月18日观测到的一个典型磁云及其边界层中的喷流
•     3.2.2 磁场重联排空区的认证
•     3.2.3 磁云边界层中的磁场功率谱分析
•   3.3 小结与讨论
• 第4章 磁云边界层中的间歇结构与局地加热
•   4.1 引言
•   4.2 事件列表和数据
•   4.3 磁云边界层中的磁场和等离子体性质
•   4.4 磁云边界层中的间歇结构与局地加热
•     4.4.1 磁云边界层中的间歇结构分布
•     4.4.2 磁云边界层中的间歇结构加热
•   4.5 小结与讨论
• 第5章 磁云鞘区中的湍流间歇加热
•   5.1 引言
•   5.2 数据、事件列表和方法
•   5.3 结果
•   5.4 小结与讨论
• 第6章 三维磁场重联的理论研究（简介）
•   6.1 引言
•   6.2 基本概念
•     6.2.1 广义磁重联
•     6.2.2 磁场拓扑守恒
•     6.2.3 广义磁重联发生条件
•     6.2.4 三维磁场重联分类
•   6.3 三维无零点磁场重联
•     6.3.1 三维无零点磁场重联的性质
•     6.3.2 三维无零点磁场重联的运动学模型
•   6.4 三维磁零点磁场重联
•     6.4.1 磁零点的特征
•     6.4.2 三维单零点磁场重联的特点
•     6.4.3 分界线重联
•   6.5 小结与讨论
• 第7章 总结与展望
•   7.1 主要研究结果
•   7.2 未来工作展望
• 参考文献
• 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 周梓露

导师: 魏奉思,冯学尚

关键词: 磁云边界层,磁场重联,太阳风湍流,慢激波,太阳风加热

来源: 中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 地球物理学

单位: 中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)

分类号: P353

总页数: 123

文件大小: 15813K

下载量: 50