基于THEMIS观测的磁层顶结构研究

论文摘要

磁层顶既是磁层和太阳风的分界面,同时也控制着太阳风与磁层之间质量、动量和能量的输运,进而直接或间接的影响磁层的结构以及其中各种物理现象的发生。磁层中的各种爆发现象会对各种地基、天基系统产生影响甚至造成不可恢复的破坏。对磁层顶的研究有助于提高人们对空间灾害性天气的预警以减少对人类活动的影响。本文主要结合THEMIS卫星的观测数据对磁层顶的小尺度结构以及磁层顶的运动特征进行分析,主要研究内容及结论总结如下:（1）通过THEMIS多颗卫星的同时观测我们对凹陷磁层顶附近的磁层磁场异常结构进行研究并对磁层顶凹陷的起源进行了讨论。现有的磁层磁场模型都是基于光滑的磁层顶模型对卫星观测到的磁层磁场数据进行统计平均得到的。在与THEMIS卫星在局地凹陷磁层顶附近观测到的磁层磁场进行比较的时候,我们发现现有的磁层磁场模型无法解释THEMIS卫星观测到的异常磁场结构:正常向内的磁层磁场梯度会在几分钟之内转为向外。为此我们通过三个偶极子构建的凹陷磁层顶内磁层磁场来定性解释这一异常现象。通过假想卫星在模型中运动观测到的磁场数据与THEMIS卫星的观测数据对比,我们再现了THEMIS卫星观测到的磁层磁场的异常特征。最后我们通过THEMIS观测到的磁鞘快速流引发的磁层顶凹陷事件对磁层顶凹陷的起源进行了讨论。（2）开发了一种新的四步自动识别磁层顶穿越事件（Magnetopause Crossing Events,MCEs）的模式。人工寻找MCEs很耗费时间和精力,而且判断的标准也因人而异。现有的自动识别方法又各有各的缺点。我们通过综合利用卫星观测到的粒子和磁场数据,先通过粒子通量数据来确定卫星所处的位置（磁层、磁鞘或者太阳风）,然后获得候选磁层顶穿越时间,精确的磁层顶穿越时间通过磁场数据来获得,最后对获得的穿越时间两侧磁层和磁鞘的观测数据进行进一步的检验以去除假的穿越时间。通过对程序识别结果的复看,可以发现我们的四步识别法能最大程度的避免误判的发生,这给我们接下来的工作提供了极大的便利。我们将四步识别法应用到THEMIS在2007年到2018年近12年间处于日下点附近观测到的数据上并对一些关键参数（磁层顶法向,磁层顶运动速度等）进行了自动计算进而构建了磁层顶穿越事件数据库。后面的工作主要基于此数据库进行分析。（3）根据磁层顶附近磁层侧磁场变化特性对MCEs事例进行分类,并分别研究他们与磁层顶运动之间的关系。通过对第二个工作中识别出的16758起MCEs进行查看发现,磁层顶附近磁层侧磁场变化可以分为三类:（1）磁场扰动很大,磁场变化没有确定的趋势;（2）离磁层顶越远磁场越弱;（3）离磁层顶越远磁场越强。分别对第二第三类事件中磁层磁场变化速率与磁层顶运动速度之间的关系进行统计研究发现:对第二类事件,不管磁鞘磁场南向还是北向,两者之间的关系都是线性的,并且磁鞘磁场北向时斜率的绝对值更大,这表明磁鞘磁场北向时磁层磁场的压缩更强;对第三类事件,两者之间没有显著的关系。最后我们构建了一个简单的模型来解释第二类事件中两个变量之间的线性关系,并对第三类事件中两个变量之间为什么没有显著关系进行了讨论分析。（4）在对磁层顶进行研究的同时,我们也对TC-1观测到的激波触发磁尾等离子体片中ULF波动的事例进行了详细的分析。TC-1在2004年11月7日观测到两例行星际激波触发磁尾等离子体片中ULF波动的事例。我们通过对这两个事例进行小波分析发现他们都包含很强的环向模Alfven驻波分量。最后我们对这两起磁尾等离子片中ULF波动可能的触发机制进行了讨论。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 太阳风
•     1.1.1 平静太阳风
•     1.1.2 扰动太阳风
•     1.1.3 弓激波对太阳风的影响
•   1.2 磁层
•     1.2.1 磁层结构
•     1.2.2 磁层磁场模型
•     1.2.3 磁层顶
•   1.3 总结
• 第2章 科学卫星简介以及数据处理方法
•   2.1 太阳风观测卫星
•     2.1.1 ACE
•     2.1.2 WIND
•   2.2 磁层观测卫星
•     2.2.1 THEMIS
•     2.2.2 TC-1
•     2.2.3 GOES
•   2.3 数据处理方法
•     2.3.1 最小方差分析方法
•     2.3.2 De Hoffmann-Teller分析
• 第3章 磁层顶凹陷结构研究
•   3.1 引言
•   3.2 凹陷磁层顶穿越事件分析
•   3.3 三偶极子凹陷磁层顶磁层侧磁场
•   3.4 凹陷磁层顶磁层侧磁场的讨论
•   3.5 磁鞘快速流引起的磁层顶凹陷事件分析
•   3.6 总结
• 第4章 磁层顶穿越事件自动识别模式
•   4.1 引言
•   4.2 模式算法
•   4.3 算法的验证
•   4.4 总结与讨论
• 第5章 磁层顶运动与磁层侧磁场变化研究
•   5.1 引言
•   5.2 磁层侧磁场变化的分类
•   5.3 模型
•   5.4 统计研究
•     5.4.1 MCE参数的计算
•     5.4.2 MCE事件的进一步挑选
•     5.4.3 统计结果
•   5.5 总结和讨论
• 第6章 行星际激波导致的磁尾等离子片中ULF波动事件分析
•   6.1 引言
•   6.2 观测与分析
•     6.2.1 事例 1
•     6.2.2 事例 2
•   6.3 总结与讨论
• 第7章 磁层顶运动与磁暴的相关性研究（简介）
•   7.1 磁暴
•   7.2 与磁暴相关的电流体系
•   7.3 磁层顶位置与磁暴的关系
•   7.4 总结
• 第8章 总结与展望
•   8.1 本文工作总结
•   8.2 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: 宋小健

导师: 魏奉思,冯学尚

关键词: 磁层顶凹陷,自动识别方法,磁层顶运动,波动

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: P353.8

DOI: 10.27562/d.cnki.gkyyz.2019.000015

总页数: 144

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