（凝聚态物理专业论文）地磁急始的极光响应研究.pdf

内蒙古师范大学硕士学位论文 中文摘要 行星际激波或太阳风中的间断面是引起地磁急始的源，而伴随 激波或间断面增加的太阳风动压会触发全球大尺度的极光瞬间发射 ( 又名激波极光，s h o c ka u r o r a ) 。当行星际激波传播到向日面磁层 项位置并与其发生相互作用后，激波极光首先在正午侧的极隙区位 置变亮，之后几分钟内沿着极光卵的晨昏两侧传播直到最后到达夜 侧扇区。 关于激波极光的研究已经持续了几十年，尤其是随着诸如 p o l a r 、i m a g e 卫星发射之后获取的大尺度的极光观测以来，许多学 者利用卫星观测的大量数据对激波极光开展了卓有成效的工作，也 提出了若干激波极光产生机制的理论：绝热压缩、磁镜率减小、磁 层对流增强、夜侧磁力线曲率半径减小等。而我们知道每种机制一 般都产生不同类型的极光。 卫星观测可以获得大尺度的激波极光，然而由于卫星的空间、 时间分辨率相对地面极光成像仪要低很多，因此我们很难准确地判 断激波极光到底是弥散状的还是分立状的，以及相应的极光的运动 状态变化。但是，地面极光观测具有高时间、空间分辨率的优点。 尽管已经有学者利用地面极光观测设备对激波极光开展了相应的研 究，但他们主要是针对个例分析，有关系统的、不同磁地方时扇区 的激波极光至今还没有开展相应的工作。本文利用中国南极中山站 和北极黄河站积累多年的、高分辨率的极光观测数据对分布于不同 扇区的激波极光进行了研究和分析，具体结果如下： 利用2 9 个分布于不同磁地方时扇区的激波极光事件，我们发现 激波极光的响应特征可以从日一夜两个大的扇区进行分析。日侧扇区 的极光一般都在激波到达日侧磁层项后的几分钟内爆发，正午极隙 区位置的极光多呈现冕状极光结构，午后扇区的极光多呈现分立的 弧状结构；夜侧扇区观测到两类不同的极光响应现象，一类多与磁 层亚暴的爆发有关，即极光多是分立状的，而且都向极向侧运动， 另一类则没有观n - n 极光爆发或增亮，多与行星际磁场持续北向或 内蒙古师范大学硕士学位论文 几乎为零有关。极隙区冕状的极光与来自太阳风和磁层的低能沉降 粒子有关，午后扇区的激波极光则与来自磁层的沉降粒子有关；夜 侧扇区的极光来自于磁尾的高能沉降粒子。 对2 0 0 1 年5 月2 7 日午后扇区的一个激波极光事件进行了详细 的分析，结合超级双子极光雷达( s u p e r d a p 矾) 的极区电离层等离子 体对流数据，我们发现激波引起的地磁急始在其初始脉冲扰动相期 间在午后扇区形成下行的场向电流。中l u 站全天空摄相机的极光观 测显示在s c 发生之前，相机的高纬侧观测到中等亮度的分立状极光， 与此同时中山站上空电离层等离子体对流方向指向太阳。s c 发生之 后极光并没有增亮，相反极光的亮度马上减弱，只有零星的弥散状 极光，几乎同时对流方向发生反转( 逆阳对流) 。4m i n u t e s 之后， 在相机的天顶位置出现一条非常亮的、东西向的弧，紧接着陆续出 现的极光布满了相机的视野并发展成多重弧结构，几乎同时对流再 次发生反转( 指向太阳) ，且对流速度增加了许多。利用a r a k i 的s c 模型可以非常自洽的解释观测到的现象，即s c 的初始脉冲扰动相 ( p i ) 期间在昏侧有下行的场向电流流入极区电离层，产生了逆时 针方向的对流涡，同时沿磁力线的沉降电子的通量减少，极光亮度 减弱；主要脉冲扰动相( m i ) 期间的电流系与p i 相的正好反向，导 致顺时针方向的对流涡，沉降电子的通量大幅增加，极光迅速增亮。 关键词：行星际激波，地磁急始，激波极光，超级双子极光雷达 内蒙古师范大学硕士学位论文 a b s t ra c t i n t e r p l a n e t a r ys h o c k o r d i s c o n t i n u i t yw h i c ha c c o m p a n i e db v i n c r e a s i n g o fs o l a rw i n dd y n a m i c p r e s s u r e i st h es o u r c eo ft h e g e o m a g n e t i cs u d d e nc o m m e n c e m e n t ，a n dc a l lc a u s et r a n s i e n ta u r o r a l e m i s s i o n s ( s h o c ka u r o r a ) d e v e l o p i n go nag l o b a ls c a l e g e n e r a l l y , a f t e r t h ei m p i n g e m e n to fs h o c ka n d d a y s i d em a g n e t o p a u s e ，t h ei n i t i a l b r i g h t e n i n go fs h o c ka u r o r aa p p e a r sa r o u n dt h ec u s pr e g i o n a f t e rt h a t ， t h es h o c ka u r o r a p r o p a g a t e st o w a r dt h ed a w n d u s ka l o n ga u r o r a lo v a l f l a n k s ，a n de v e n t u a l l yr e a c h e st h en i g h t s i d es e c t o r s h o c ka u r o r ah a sb e e nam a j o rt o p i co v e rt h el a s tt w od e c a d e s e s p e c i a l l ya f t e rl a u n c ho fp o l a ra n di m a g es a t e l l i t e s o m ev a l u a b l e r e s u l t sw e r eo b t a i n e db yu s i n g l a r g es c a l ea u r o r a lo b s e r v a t i o n s ，a n d s e v e r a lp o s s i b l em e c h a n i s m so fs h o c ka u r o r aw e r es u g g e s t e d ：e g ， a d i a b a t i c c o m p r e s s i o n ， r e d u c t i o no fm i r r o r r a t i o ，e n h a n c e d m a g n e t o s p h e r i cc o n v e c t i o n ，r e d u c e dc u r v a t u r er a d i u so nt h en i g h t s i d e m a g n e t i cf i e l dl i n e s ，a n ds oo n a n dw ek n o wt h a td i f f e r e n tm e c h a n i s m t r i g g e r e sd i f f e r e n tt y p e so fs h o c ka u r o r a a l t h o u g hs a t e l l i t ec a na c q u i r el a r g es c a l ea u r o r a ，i ti sd i 伍c u l tt o i d e n t i f yt h ed i f f u s e d i s c r e t e t y p ea u r o r aa n de v o l u t i o no fs h o c ka u r o r a d u et ol o w s p a t i a l t e m p o r a l r e s o l u t i o no fs a t e l l i t e o b s e r v a t i o n g r o u n d b a s e do b s e r v a t i o nw o u l db ee s s e n t i a l a c c o r d i n gt oi t sh i g h t e m p o r a la n ds p a t i a lr e s o l u t i o n s o m ea u t h o r sh a v em a d ei n v e s t i g a t i o n s o fs h o c ka u r o r au s i n gg r o u n d b a s e do b s e r v a t i o n s ，b u tt h e yj u s tf o c u s e d o ne v e n ts t u d y t oo u rk n o w l e d g e ，u n t i ln o w t h e r eh a sb e e nn os h o c k a u r o r a ls t u d yb a s e do ng r o u n do b s e r v a t i o n s y s t e m a t i c a l l y i nt h i st h e s i s ， w eu s ea u r o r a ld a t af r o mz h o n g s h a ni n a n t a r c t i c aa n dy e l l o w r i v e r s t a t i o ni na r c t i ca n a l y z i n gt h es h o c ka u r o r a lf o r m sa n de v o l u t i o n t h e r e s u l t sf o l l o w s ： 内蒙古师范大学硕士学位论文 w eh a v e2 9c a s e sd i s t r i b u t e di na l lm a g n e t i cl o c a lt i m e ( m l t ) s e c t o rt os t u d ys h o c ka u r o r a lf o r m sa n de v o l u t i o n f r o md a y s i d ea n d n i g h t s i d es e c t o r , i ti sf o u n dt h a ta u r o r aw a sb r i g h t e n e dw i t h i ns e v e r a l m i n u t e sa f t e rt h es h o c ka r r i v a li nt h ed a y s i d em a g n e t o p a u s e ，a n dt h e a u r o r a lf o r m si nt h ec u s pr e g i o na n dp o s t n o o ns e c t o ra r em a i n l y d i f f u s e t y p e a u r o r aa n dd i s c r e t e l m u l t i p l ea r c s ，r e s p e c t i v e l y t h e n i g h t s i d ea u r o r a lr e s p o n s e sd u r i n gg e o m a g n e t i cs u d d e nc o m m e n c e m e n t ( s c ) c a u s e db yi n t e r p l a n e t a r ys h o c kc a nb ec l a s s i f i e di n t o t w ot y p i c a l t y p e s ：i n t e n s i f i e dd i s c r e t ea u r o r aw i t hp o l e w a r dm o v e m e n tw h i c hh a s c l o s er e l a t i o n s h i pw i t hi n t e r p l a n e t a r ys u b s t o r m ，a n dn ob r i g h t e n i n go r i n t e n s i f i e da u r o r aa s s o c i a t e dw i t hn o r t h w a r di n t e r p l a n e t a r ym a g n e t i c f i e l d ( i m f ) o rn e a rz e r ob z t h ed i f f u s e t y p es h o c k a u r o r ai nc u s pr e g i o n h a sc l o s er e l a t i o n s h i pw i t ht h ep r e c i p i t a t i o no fp a r t i c l e sf r o ms o l a rw i n d a n di n n e rm a g n e t o s p h e r e ，a n dt h ed i s c r e t e - m u l t i p l es h o c ka u r o r ai n p o s t n o o ns e c t o r a r ec a u s e db yp r e c i p i t a t i o nf r o mm a g n e t o s p h e r e b r i g h t e n i n gs h o c ka u r o r ai nn i g h t s i d ei sc a u s e db ye n e r g e t i cp a r t i c l e s p r e c i p i t i n gf r o mm a g n e t o t a i l o n ep o s t n o o ns h o c ka u r o r a le v e n tw a sa n a l y z e di nd e t a i lt o g e t h e r w i t hs u p e r d a r nr a d a r so b s e r v a t i o n i ti sf o u n dt h a tt h ed o w n w a r d f i e l d a l i g n e dc u r r e n t ( f a c ) w a sf o r m e dd u r i n gt h ep r e l i m i n a r yi m p u l s e ( p i ) p h a s eo fs c w en o t et h a tm o d e r a t el u m i n o s i t yw i t hs o m ea u r o r a l r a ys t r u c t u r e sc a nb es e e ni nt h ep o l e w a r ds i d eo ft h ef i e l d - o f - v i e w ( f o v ) o f a l ls k yc a m e r a ( a s c ) b e f o r et h es co n s e t ，a n dt h ep l a s m a f l o wo b s e r v e db ys u p e r d a r ns h o w e ds u n w a r dd i r e c t i o n d u r i n gt h e s co n s e t ，i ti sn o t i c e dt h a tt h ea u r o r a ll u m i n o s i t ya p p a r e n t l yd i m i n i s h e d i u s tw i t hs o m ed i mv i s i b l er e m n a n t si nt h ef o vo ft h ea s cf r a m e ，a n d t h ec o n v e c t i o nw a sr e v e r s e d ( a n t i s u n w a r d ) a b o u t4m i n u t el a t e ro ft h e s co n s e t ，t h ei n t e n s ea u r o r a lb r i g h t n e s ss t a r t e df r o ma nw e s t e a s t a l i g n e da r ce m e r g e dn e a rt h ez e n i t ho fa s c ，a c c o r d i n gt ot h e t i m e p r o g r e s s ，c o n s e c u t i v e d is c r e t ea u r o r a la r c sm o v e dt ot h ee q u a t o r w a r d 内蒙古师范大学硕士学位论文 s i d eo ft h ef o vo fa s cf r a m e ，a n ds i m u l t a n e o u s l yt h ep l a s m af l o ww a s r e v e r s e da g a i nf r o ma n t i s u n w a r dt os u n w a r dw i t hh i g hv e l o c i t y u s i n g a r a k ss cp h y s i c a lm o d e l 也eo b s e r v a t i o n a lr e s u l t sp r e s e n t e dh e r ec a l l b ee x p l a i n e da c c u r a t e l y d u r i n gt h ep ip h a s eo fs c ，t h e r ea r ed o w n w a r d f i e l d a l i g n e dc u r r e n t s ( f a c s ) i np o s t n o o n s e c t o r , w h i c h c a u s e c o u n t e r c l o c k w i s ec o n v e c t i o nc e l l ，s ot h ep r e c i p i t a t i o no fe l e c t r o n s d e c r e a s e dr e s u l t i n gf r o mw e a ka u r o r a d u r i n gt h ei n t e r v a lo fm ip h a s e ， t h ec u r r e n t ss y s t e ma l eo p p o s i t ew i t ht h a to ft h ep ip h a s e ，s ot h e p r e c i p i t a t i o no fe l e c t r o n si n c r e a s e da b u n d a n t l yc a u s i n gi n t e n s e s h o c k a u r o r aa n dr e v e r s e dc o n v e c t i o nv o r t e xa g a i n 。 k e y w o r d s ：i n t e r p l a n e t a r ys h o c k , g e o m a g n e t i c s u d d e nc o m m e n c e m e n t ， s h o c ka u r o r a ，s u p e r d a r nr a d a r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果，尽我所知，除了文中特别加以标注 和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含本人为获得内蒙古师范大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示感谢。 签名：日期：年月 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解内蒙古师范大学有关保留、使用 学位论文的规定：内蒙古师范大学有权保留并向国家有关部门 或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文，并 且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：导9 , l i 签名： 日期：年月 日 第一章引言 第一章引言 地磁急始( s u d d e nc o m m e n c e m e n t ，s c ) 是一种非常显著的、全球范围的地 球物理现象，有明显的突始特征，几乎在全球范围的地磁台站都能监测到s c 的信号【l 】。引起s c 的源是行进中的行星际激波或间断面与地球磁层相互作用。 激波或间断面首先与磁层项碰撞，导致磁层顶电流瞬间大幅增加从而触发s c ， 表现在地球表面磁力计观测的磁场水平分量h 突然增加。s c 期间有一系列的 地球物理现象发生，如驱动磁层顶运动、磁层磁场受到压缩、地磁扰动、u l f n ! _ f 等离子体波、宇宙噪声吸收、极光粒子沉降分布变化等【2 】。 自从人们在地球陆地面部署了地磁台站以来，到目前为止积累有大量的磁 场数据，研究s c 首先从分析磁力计的数据开始【3 1 。基于s c 在全球范围几乎同 时响应的显著特征，所以早在18 9 2 年就由a d a m s 和e l l i s 分别对此现象进行了 报道1 4 一。s c 现象激发了c h a p m a n 和f e r r a r o 对太阳粒子流和地磁场的相互作 用的开创性理论工作【6 l 。他们在太空时代之前、在没有任何空间就地观测的情 况下提出磁层的概念，认为磁层是包围着地球的一个大的圈层。g o l d 于1 9 5 5 年提出在太阳耀斑发生之后，引起的扰动以特别快的速度首先到达地球，并且 推测耀斑喷发出来的等离子体云前端的行星际激波( i n t e r p l a n e t a r ys h o c k ) 是引 起s c 的主要原因1 7 j 。太空时代太阳风和行星际激波的发现对从三维角度理解 s c 起到了很大的推动作用【8 9 】。 在过去几十年中，人们对与s c 相关的磁场变化进行了诸多研究，在分析 并总结大量观测数据的基础上提出了若干s c 模型，而其中影响力和认可度比 较高的是a r a k i 提出的模型【i 】。该模型将s c 的发展分为两个阶段；初始脉冲扰 动相( p r e l i m i n a r yi m p u l s e ，p i ) ，主要脉冲扰动相( m a i np h a s e ，m i ) 。 在分析磁场变化的同时，对s c 期问极光的响应特征的研究则相对较少。 v o r o b j e v 利用地面全天空相机对s c 期间极光的响应特征进行了研究，发现s c 之后同侧和夜侧的分立极光强度持续增强3 - 8 m i n ，并且发现在夜侧纬度6 0 0 - 7 0 0 范围内布满了弥散极光，这些极光并没有位于极光卵下面，而是基本都沿同一 l 值分布【l o 】。利用d e l ( d y n a m i ce x p l o r e r1 ) 卫星在紫外波段的观测，c r a v e n 发现s c 之后整个极光卵的亮度都增强t t l l 】。e g e l a n d 等对1 9 8 1 年1 2 月2 9r 的一个s c 事件进行了报道，他们利用位于s v a l b a r d 岛上的全天空相机对s c 发 生前后的极光变化进行分析，结果发现s c 之后天空变得非常亮，6 3 0 o n m 的极 内蒙古师范大学硕士学位论文 光分布于相机的全部视野，而5 5 7 7 n m 的极光则主要集中在相机的低纬【1 2 1 。 近年来，随着卫星的相继发射，大尺度的、连续的极光观测使得从空间的 角度对极光进行全方位的研究变成现实。目前，国际上主要是少数学者利用 i m a g e 和p o l a r 卫星对极光对太阳风动压增加的物理现象进行了一些研究。 1 9 9 9 年z h o u 对两个太阳风动压突然增加触发的s c 事件进行了分析，首次引入 激波极光( s h o c ka u r o r a ) 用以描述此类现象。利用p o l a r 卫星的观测发现在s c 发生后的很短时间内极光首先在向阳侧极隙区位置出现，并以很快的速度沿着 极光卵的晨一昏两侧向夜侧传播。文章提出，由于卫星观测的尺度大，分辨率 相对较低，因此不能确定激波极光是首先发生在闭合磁力线区还是开放磁力线 斟1 3 l 。2 0 0 1 年z h o u 对夜侧极光在行星际激波与磁层相互作用后的响应做了统 计研究，发现激波在夜侧触发的不仅有磁层亚暴，还有所谓的伪暴和无极光现 象【l4 1 。2 0 0 3 年z h o u 等利用近地极轨卫星f a s t 和d m s p 结合i m a g e 和p o l a r 对激波极光进行分析，发现激波与磁层顶碰撞之后晨昏两侧的电子沉降急剧增 加，而沉降粒子与场向电流密切相关，文章提出了几种场向电流产生的机制， 有磁剪切、磁层顶扰动、磁场重联和阿尔芬波的产生，并且发现行星际激波导 致在低纬产生弥散状极光，而高纬主要是分立极光【1 5 1 。l i o u 等利用p o l a r 卫星 对太阳风动压持续增加条件下极光的响应做了研究，结果显示在极光卵的晨一 昏两侧极光非常快的响应动压增加并且增强的极光持续了较长的时间。通过分 析d m s p 卫星的粒子数据发现此类极光粒子沉降来源于中心等离子体片， g e o t a i l 卫星波的观测结果显示粒子沉降并不是等离子体波导致的【l6 1 。k o z l o v s k y 利用i m a g e 卫星、e i s c a t 和s u p e r d a r n 雷达、全天空相机对2 0 0 0 年1 2 月 7 同的一个s c 事件进行了分析，结果显示s c 之后新的分立极光结构出现在极 光卵的极向侧，分立极光结构首先出现在午后1 5 m l t 的地方，然后以7 k m s 的速度西向运动至晨侧6 m l t 的区域，与之同时极区电离层北向对流增强【l 丌。 综上所述，现有激波极光的研究主要集中于利用卫星大尺度的观测而开展。 由于卫星运行在比较高的高度上，在极光成像上能看到极光卵的全部或大部分 区域，但它的空间和时问分辨率很低，不可能在精细结构上呈现极光的演化过 程，利用地面观测设备对此类现象开展进一步的系统研究很有必要。针对这一 国际上的研究现状，我们利用中国南极中山站和北极黄河站的极光观测数据找 到了若干激波极光事件，通过分析这些事件我们将进一步了解地面极光对s c 的响应过程，利用多波段的极光观测数据希望能找出极光的运动情况、极光结 2 第一章引言 构以及极光光谱的相关变化。 在本文的下一章，将简要介绍地球磁层及其动力学过程；在第三章中介绍 研究所用到的观测手段和数据处理；第四、五章将分别介绍统计结果和一个事 件的具体发展过程；最后一章将综合研究结果并对将来工作做展望。 3 第二章地球磁层及其动力学过程 第二章地球磁层及其动力学过程 2 1 磁层的结构以及能量传输 地球的“磁层”( m a g n e t o s p h e r e ) 是指电离层以上被地球磁场控制的广大稀薄 的等离子体区域，这个概念是g o l d 于1 9 5 9 年首次提出的【】”。太阳风经过地球 附近时，地磁场把地球屏蔽起来，形成一个很长的“空腔”，使得太阳风不能轻 易进入这个空腔内，其外边界称为磁层顶( m a g n e t o p a u s e ) 。随着1 9 6 1 年探险者 1 2 号观测到了碰层顶磁层的概念便完全确立并得到普遍承认。向阳面磁层顶 的外形像一个略微压扁的半球，在同地连线上它离地心平均1 0 - 1 1 个地球半径 ( r e ) ，s c 期问可被压缩到地球同步轨道( 地心距6 , 6r e ) 的位冒以下。在背 阳而磁层的延伸区称为磁尾( m a g n e t o t a i l ) ，它延伸到数百个甚至上干个r e 。 随着卫星技术咀及观测技术的发展，人们对碰层结构的认识越柬越清晰。 圈21 是个三维磁层结构示意图。根据磁场和等离予体性质的不同，磁层被 划分成几个不同的区域( 参考涂传诒，1 9 8 8 ；刘振兴，2 0 9 5 1 ) 1 9 2 0 1 ： h2 1 地球醯层的结构 磁层能量传输的过程主要i 分为两种不同类型：( 1 ) 磁重联或称磁力线合 并过程。这过程指的足a 阳风磁场( 即行魁际磁场i m f ) 与地球磁场在nh 内蒙古师范大学硕士学位论文 面磁层项的相互作用【2 1 1 ；( 2 ) 其它“非磁场机制。我们通常称之为类黏滞相互 作用，因为这些机制表明，通过微观或宏观不稳定性所产生的某种黏滞性，使 切向动量从磁鞘等离子体通过磁层顶输入到磁层内部【2 2 1 。 2 1 1 磁层顶区域 弓激波：高速太阳风携带着粒子和磁场到达地球在向阳面被磁层阻挡减速 为亚阿尔芬速，从而形成弓激波。它在日地连线上的位置位于地心距离1 5 2 0r e 之间。 磁鞠：在弓激波和磁层顶之间的区域叫磁鞘( e g p h a ne ta 1 ，1 9 9 4 ) 【2 3 1 ， 它位于日地连线上的地心距离1 0 - 1 4 r e 之间。磁鞘等离子体来自经过弓激波加 热的太阳风，平均速度由激波上游的4 0 0 k m s 降低到约2 5 0 k m s 左右，s c 期间平 均速度有所增大。密度随远离弓激波接近磁层顶而减小，但始终比磁层内高。 磁鞘等离子体和磁场处在不断的起伏状态中，这是由于行星际激波或间断面可 穿过弓激波进入磁鞘，并且有很多种等离子体波在这里激发。 磁层顶：磁层顶是一个典型的间断面( f e 晷c a h i l la n d a m a z e a l ，1 9 6 3 ；r u s s e l l ， 1 9 9 5 ) 2 4 , 2 5 1 ，它将行星际磁场与地球磁场分开，它的位置取决于磁层内部和磁鞘 层总压强的平衡。向阳面磁层顶的位形像一个略微压扁的半球；在日地连线上 它离地心距离平均1 0 1 1 个地球半径( r e ) ，s c 发生时可减4 , n 地球同步高度 ( 地心距6 6 r e ) 以下。磁层项为磁鞘和磁层之间的多层次、多尺度的过渡区， 过渡区中心区为磁层顶电流片，磁层项大尺度结构在电流片的磁鞘一侧有磁流 体慢驻波和磁鞘过渡层，在电流片的磁层一侧有磁层顶边界层。s c 期问东西向 的磁层项电流大幅增加。磁层项边界层可划分为低纬边界层和高纬边界层，后 者包括向阳面的进入层、极盖区和背阳面的等离子体幔；中尺度结构主要为局 地瞬时磁重联相联系的通量管结构以及k e l v i n h e l r n h o l t z 不稳定性产生的m h d 涡旋结构；小尺度结构有三维的丝状电流和波状密度与磁场的不均匀结构等。 2 1 2 极隙区 极隙区是指磁层向阳面高纬的漏斗状区域，它是磁层中十分重要的也是研 究的较少的一个区域。该区域内磁场形态独特，磁力线呈伞状伸向磁层顶各个 部分，整体呈漏斗形。极隙区像磁层的窗口，是太阳风等离子体能直接进入磁 5 第二章地球磁层及其动力学过程 层的唯一途径，而且它随太阳的活动而处于扰动的状态，所以极隙区是太阳向 磁层输入能量、动量和质量的一个非常重要的区域。s c 期间有大量的太阳风粒 子通过极隙区进入磁层和极区电离层，尤其在行星际磁场南向的条件下。 2 1 3 等离子体幔 等离子体幔位于夜晚面磁鞘流和磁尾之间，其厚度为几r e 10r e 。等离子 体数密度由磁鞘处的l o 锄3 ，逐步降低到尾瓣处的0 1 c m 3 。磁鞘处温度 1 0 6 k ，尾瓣1 0 5 k 。等离子体沿着磁力线方向以， - - 1 0 0 k m s 的速度流向磁尾。 等离子体幔是磁尾尾瓣和等离子体片粒子的一个重要来源。等离子体幔中的磁 场是开放的，其场线以及磁层顶各边界的磁力线均汇集到极隙区，这种磁场结 构使得电离层等离子体可以从进入层输送到等离子体幔，磁鞘等离子体也可以 沿极隙区开放的磁力线，进入等离子体幔并与由电离层向上经极隙区和极盖区 到达的电离层等离子体即极风混合并向尾瓣方向漂移，与此同时沿磁力线向磁 尾方向运动。 2 1 4 磁尾 磁尾除了包括前述磁鞘层、磁层顶、磁层顶边界层、等离子体幔延伸到夜 半面的部分外，还包括以下几部分： 尾瓣：等离子体片两侧到磁尾外边界之问，称为尾瓣，其中等离子体密度 稀( 一般小于0 1 c m 3 ) 、温度低、其成分常常来自于电离层。磁场是“开放“的， 强度大，一侧在极盖区与地球内部磁力线连接，另一侧通向太阳风。它是磁尾 磁能的主要储存区。 等离子体片边界层：尾瓣和等离子体片之问的交界区被称作等离子体片边 界层，它起自远磁尾“中性点”，通向地球的端与高纬电离层相连。它是非常 i 舌跃且不稳定的区域，太阳风能量在磁尾的储存、转化和释放，是引起磁层扰 动的主要起源。在这个区域内离子的典型速度为每秒几百公罩，方向主要平行 于或反平行于局地磁场。此区域内等离子体的典型密度为0 1 伽3 的量级，温 度低，热能小于流动的动能。 等离子体片：等离子体片区域通常指的是中心等离子体片，它位于磁尾中 心区域，是磁尾热等离子体的主要储存区，等离子体数密度为0 1 c m 3 ，电子能 6 内蒙古师范大学硕士学位论文 量约1 千电子伏，离子平均能量为5 千电子伏。其主要离子成分为氢离子。s c 期间氧离子( o + ) 可占很大的比例。等离子体片可分为近地等离子体片( 8 2 0 r e ) ，中磁尾等离子体片( 2 0 , - - , 6 0 r e ) 和远等离子体片( 6 0 r e ) 。在磁静时 等离子体片在赤道两侧的半厚度约为4 r e ，近地内边界距地心平均为1 0 r e 。s c 期间内边界可侵入到同步轨道以内，半厚度可减小到1 r e 以下。等离子体片中 心流有很强的跨越磁尾的电流，电流区很薄，磁场极弱，叫中性片。s c 期i - 日j 夜 侧观测到的强极光爆发现象主要是来自中性片的高能粒子沉降。 2 1 5 内磁层 内磁层是指磁层中被偶极磁场控制的区域，大量的带电粒子被捕获在偶极 磁场中。这里的磁场可以近似认为是偶极磁场，根据捕获粒子能量的不同，内 磁层被分为3 个不同的区域： 等离子体层：在地球周围4 5r e 之内，存在着一个稠密的等离子体区域， 被称为等离子体层。这些等离子体被认为是从地球的电离层直接延伸出来的。 这些等离子体随着地球的自转而一起运转。等离子体层的外边界称为等离子体 层项。等离子体层项之外的电子数密度急剧下降。等离子体层顶的位置并不是 不变的，随着不同程度的地磁活动，它的径向距离会发生相应的变化。一般来 说，地磁活动强烈时，等离子体层顶会降低，地磁平静时，等离子体层顶会向 外运动。 环电流：环电流的中心位置在地磁活动平静时大约为5 - 一6r e ，在磁层亚暴 和磁暴时可内移至3 4r e 。它主要是由能量为2 0 2 0 0 k e v 的离子( 主要是旷 和o + ) 在赤道面附近向西漂移和电子向东漂移形成的。 地球辐射带：辐射带是高能带电粒子的捕获区，其主要成分为1 1 0 0 m k e v 的质子和1 0 0 k e v - 2 0 m e v 的电子，此外还有少量的重离子。质子主要分布在距 离地心15r e 附近；称为内辐射带；电子主要分布在3 7r e 处，称为外辐射带。 在s c 期问，内磁层粒子的捕获条件受到破坏，部分粒子可被散射到极区 电离层中，引起绚丽多彩的极光现象。 2 1 6 磁层的能量输入 磁层的能量耦合过程主要包括两种不同类型的机制：磁重联和类粘滞相互 7 第二章地球磁层及其动力学过程 作用。图2 2 画出了这两种过程及其产生的磁层等离子体流动眨6 】。磁重联过程 在极盖和磁尾瓣的开放场线区域驱动一个向尾等离子体流，而类黏滞过程则在 闭合磁力线的低纬边界层中驱动一个向尾等离子体流【27 1 。 地球磁层顶的磁重联以定常态重联和间歇性时变重联两种形式发生【2 8 1 。卫 星观测提供了日下点附近准定常态重联的实测证据，也提供了碎片状脉冲式重 联( 所谓的通量管传输事件f t e ) 的证据【2 9 1 。重联过程强烈地依赖于行星际磁 场与地球磁场之间的夹角：当这两个磁场反平行时重联发生最有效，而当这两 个磁场完全平行时，重联停止。重联过程可以将太阳风的质量和磁通量( 或电 位) 通过磁层顶输入磁层，以代替那些因沉降到大气层而损失掉的粒子，并保 持平均强度的磁层对流。 x ，2 0 s 1 8 b ) l c ) 2 4 图2 2 在太圈l 风的驱动下，磁层中产生对流运动的两种基本过程：磁重联和类黏滞作用。 ( b ) 、( c ) 分别是磁赤道平面和北? 仁球极区对流图 内蒙古师范大学硕士学位论文 类黏滞作用主要有两种机制：一种是由于微观不稳定性所产生的共振波的 随机散射，磁鞘粒子通过磁层顶扩散进入低纬边界层【3 0 】；另一种是低纬磁层顶 两翼的k e l v i n - h e l m h o l t z 不稳定性( 一种宏观不稳定性) ，尤其是当它演化成 为非线性形式的时候f 3 l j 。这两种过程可以不依赖于外部磁场的方向而独立进行， 但是，任何一个过程都不能单独达到质量传输和电位的要求。扩散过程若以可 能的最大速率进行，原则上勉强可与磁重联相比，但是即使是所产生电位的上 限值也仍然低于经验量值。非线性k e l v i n - h e l m h o l t z 不稳定性虽然能够提供经 验所要求的电位，但是，如果没有别的扩散或重联过程，它不能提供任何质量 输运。 如上所说，重联过程和类黏滞作用最显著的、也是容易被观测到的差别是， 前者依赖于外磁场的方向( 用行星际磁场b z 分量的正负号表示) ，而后者则与 外磁场方向无关。在过去的几十年中，这种与行星际磁场b ：分量的依赖关系已 经用于i w f 变化与地磁活动性的许多相关研究中【3 2 1 。从行星际磁场与磁层或电 离层电场的相关性得到关于重联作用和类黏滞作用相对重要性的最可靠地度 量。 2 2 极光 极光已经被人们研究了几百年，但是对极光的发光物理机制，人们理解的 还不是很清楚。极光物理的基础是等离子体物理，但牵涉到许多物理学分支， 例如高能带电粒子与物体的相互作用，电动力学等等。自从卫星发射升空对极 光展开观测并获取高质量的数据以来，人们在理解极光的物理机制方面才取得 了长足的进步。 2 2 1 极光的产生 极光是来自磁层热等离子体与地球高层大气相互作用所产生的最显著的 现象，因此极光在人们理解地球外部环境的过程中扮演了重要的角色。一直 以来人类利用自己的肉眼来理解这些物理现象。图2 3 是一张非常漂亮的极 光图像。 在古代中国和欧洲都有关于极光的一些相关记载。1 9 世纪早期，法国科 学家d e m a i r a n 利用长期在北斯堪迪纳维亚积累的极光观测资料，统计得出极 9 第二章地球磁层殛其动力学过程 光的发生率与太阳黑子变化有关。他注意到太阳黑予活动微弱的时候，极光 活动到达最低期。鉴于d e m f i r a n 的观测结果，在1 9 世纪晚期，关于日地关 系的一些物理概念被提出。b e c q u 盯d 认为极光是由来自太阳的高能的粒子 引起的，而g o l d m a n 也给出了相似的假设，但他认为是由电子引起的。 图2 , 3 采门极光弧暴驯阃的j ! ( 片( 引nt o 埘o m l o v g r 部，瑞典垒家学院1 挪威物理学家b i r k e l a n d 教授在1 9 世纪晚期开始了他的著名的球形实验。 实验证明地球磁场对极光的发生以及发生地点有着非常重要的作用。c e l c i u s 和h i o n e r 早在1 7 4 1 年发现地磁扰动与极光的产生有关。b i r k e l a n d 用一个内 胃磁铁的球形装再模拟地球，然后他们通过实验发现，入射到球形装置的电 子- 4 产生与极光很相似的发光现象形态。他认为这此粒子束源下太阳，宴际 上只有部分的h 侧极光足出束自太阳的粒于激发的。 内蒙古师范大学硕士学位论文 2 2 2 极光的地理分布 i 极盖极光( p o l a rc a pa u r o r a ) ：极光不仪仅发乍枉极光卵内，也会在撒光卵的 极向一侧向极盖延伸。矧25 是利l j1 9 6 3 】9 7 4 年期间在格陵兰岛观测的夫髓的 分立极光弧在修正地磁坐标下绘制m 来的。从罔t p 我们可以看出，位1 ：极盖中 第二章地球磁层及其动力学过程 心的那些分立的弧大致是午- 夜方向分布的。有人将其称作“日向弧( s u n a l i g d e d a r c s ) ”、“高纬极光( i l i g h - l a t i t u d ea u r o r a s ) ”、“极盖弧( p o l a rc a pa r c s ) ”、“0 极光( t h e t a a u r o r a ) ”或者“越极盖弧( t r a n s p o l a ra r c s ) ”。极盖极光意味着其位于开放磁力线区 域。 如图2 5 所示，晨侧的日向