（空间物理学专业论文）环电流离子模式与离子分布的层析成像反演.pdf

摘要 摘要 环电流是磁层电流体系重要组成部分，环电流的增强造成地球表面磁场水平 分量的降低，甚至形成地磁暴，因此研究环电流区离子的特性，开发环电流的模 型，对于磁暴、亚暴等磁层现象具有重要的作用。为了研究环电流区离子分布的 特征，开发模拟环电流区离子分布的方法，我们开展了如下工作： ( 1 ) 修正环电流的经验模型并模拟环电流的分布，利用c l u s t e r 的观 测结果验证该模型的可行性； ( 2 ) 计算n u a d u t c 一2 观n - n 的e n a 源区的位置； ( 3 )用层析成像法反演环电流区离子的分布。 在第一部分的研究中，我们修正了沈超一刘振兴畔1 2 0 0 2 磁暴主相期问环电 流离子模型，对比c l u s t e r 的观测结果，得到结论：考虑了损失锥，使得在极限 投掷角范围内的离子沉降在大气中；修正了环电流的损失系数，使得向阳面和背 阳面出现了不对称；模拟的1 0 3 0 k e v 能量离子的分布和用c l u s t e r 携带的c i s 探 测仪的结果具有相当的一致性，说明模型具有可行性。 在第二部分的研究中，我们用几何的方法计算e n a 源区的中心和边界点位 置。若在足够短的时间内，卫星观测到同一结构的e n a 源，通过分析不同观测 点看到e n a 源之间几何关系的方法，对e n a 源区中心和边界点予以确定。 在第三部分的研究中，我们开发了新的反演技术和算法来反演环电流的分 布。我们把层析成像技术引入到反演环电流区离子的分布中来。把磁层空间环 电流区域划分为网格并依据层析成像常用的代数重建法反演环电流的分布。反 演前后的环电流离子分布具一致性，证实了这种反演方法的可行性。 关键词：环电流，中性原子，反演，数值模拟，磁暴，中性原子成像，电荷交换， 卫星探测 a b s t t a c t a b s t r a c t w a n gx i n - y u e ( s p a c ep h y s i c s ) d i r e c t e db yl i uz h e n x i n g t h et e r r e s t r i a lr i n gc u r r e n ti so n ei m p o r t a n tp a r to ft h em a g n e t o s p h e r ec u r r e n t s c h a n g e si n t h i sc u r r e n ta r er e s p o n s i b l ef o rg l o b a ld e c r e a s e si nt h ee a r t h ss u r f a c e m a g n e t i cf i e l d ，w h i c ha r ek n o w na sg e o m a g n e t i cs t o r m s t h e r eh a sb e e naw i d e r i n t e r e s ti nr i n gc u r r e n t si o n sp r o p e r t i e sa n ds i m u l a t i o n sf o ri t se f f e c to nt h es t o r ma n d s u b s t o r me t c f o ra b o v e ，w ed i v i d eo u rw o r ki n t ot h r e ep a r t s ( 1 ) w em o d i f i e dt h ee x p e r i e n t i a lm o d e lo fr i n gc u r r e n ti o n sa n ds i m u l a t e dt h e f l u xd i s t r i b u t i o no fr i n gc u r r e n ti o n s t h e nw eu s eo b s e r v a t i o nr e s u l t so fc l u s t e rt o p r o v et h em o d e l sf e a s i b i l i t y ( 2 ) w ec a l c u l a t e dt h ep o s i t i o no fe n as o u r c eo b s e r v e db yn u a d u 厂r c 2 r 钔w ei n v e r s e dt h er i n gc u r r e n ti o n sd i s t r i b u t i o nb yt h et e c h n i e u eo fs e i s m i c t o m o g r a p y i nt h ef i r s tp a r to ft h ea r t i c l e w em o d i f i e ds h e nc h a pa n dl i uz h e n - x i n g sr i n g c u r r e n ti o n sm o d e ld u r i n gm a i n p h a s eo fs t o r m c o m p a r e dw i t ht h eo b s e r v a t i o n so f c l u s t e r , w eh a v et h ef o l l o wr e s u l t s ：w ea p p e n dt h ef a c t o ro fl o s sc o n ea n dc a u s ei o n s l o s ti na t m o s p h e r e w em o d i f i e dt h el o s sc o e f f i c i e n ti nt h es i m u l a t i o n ，a n df o u n d a s y m m e t r yb e t w e e nd a y s i d ea n dn i # a to ft h ed i s t r i b u t i o no fr i n gc u r r e n t 1 0 3 0k e v i o n so fs i m u l a t e dr e s u l t sa r ea c c o r d a n tw i t ht h eo b s e r v a t i o n so fc i so nb o a r dc l u s t e r s ot h em o d e lj sf e a s i b l e i nt h es e c o n dp a r to fo u rr e s e a r c h ，w eu s eg e o m e t r i c a lm e t h o dt oc a l c u l a t et h e p o s i t i o no fc e n t e ra n db o u n d a r yp o i n t so fe n a s o u r c e w es u p p o s et h a ti nas h o r tt i m e s a t e l l i t eo b s e r v e dt h es a m ee n as o u r c es t r u c t u r e w ec a nc o n f i r i i lt h ep o s i t i o no ft h e c e n t e ra n dt h eb o u n d a r yp o i n t so fe n as o u r c eb ya n a l y s i st h ed a t ao fs a t e l l i t ei n d i f f e r e n tp o s i t i o n s t h et h i r dp a r to fo u rw o r ki sf o rt h ei n v e r s i o np r o b l e mo fr i n gc u r r e n ti o n s w e e x p l o r ean e wt e c h n i q u ea n da r i t h m e t i ct oi n v e r s et h er i n gc u r r e n ti o n sd i s t r i b u t i o n w ei n d u c tt h et e c h n i q u eo fs e i s m i ct o m o g r a p yi n t oo u ri n v e r s i o n b a s e do nt h e t e c h n i q u e ，w et a k et h er i n gc u r r e n tr e g i o no fm a g n e t o s p h e r es p a c ei n t og r i d sa n du s e a l g e b r a i cr e c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e st oe x t r a c ti o n sf l u xd i s t r i b u t i o nf r o mt h ee n a i m a g e i n v e r s i o nd i s t r i b u t i o nc o n s i s t e n tw i t ho n 【g i n a lo n ei d e n t i f i e dt h ef e a s i b i l i t yo f t h i st e c h n i q u e k e yw o r d ：r i n gc u r r e n t ，e n 舡，i n v e r s i o n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，m a g n e t i cs t o r m ， e n e r g e t i cn e u t r a la t o mi m a g i n g ，s a t e l l i t ee x p l o r a t i o n ，c h a r g ee x c h a n g e s 第一章引言 第一章引言 地球磁层中存在着围绕地球西向流动的环电流，这种电流以赤道平面为中 心，其位置处于2 r e 瓦 t 其中，乃是粒子漂移运动的周期，瓦是粒子弹跳周期，t 是粒子回旋运动的周 期。在这种情况下，只有第3 绝热不变量的守恒关系破坏了，它相应于磁层突然 受到压缩，或者磁层亚暴时磁层磁场突然增强的情况。若a f 是秒的量级，并满 第二章环电流理论与观测及其与地磁扰动的关系 足瓦出，t ，这时，第2 和第3 绝热不变量都不守恒，相当于磁层粒子与地 磁脉动相互作用的情况。如果“1c ( 毫秒) ，所有3 个变量都不守恒。这相当 于环电流粒子与磁层甚低频波和极低频波相互作用，以及辐射带粒子与地球大气 分子库仑碰撞的情况。引起扩散的扰动可以是周期的或者是准周期的，也可以是 随机的。 扩散过程可以分为径向扩散和投掷角扩散。径向扩散使得粒子横越漂移球壳 运动，投掷角扩散使得粒子的镜点沿着磁力线变化。通过径向扩散，粒子由稳定 俘获区的边界向内输运。如果在这个过程中第1 和第2 绝热不变量守恒，则粒子 扩散伴随着粒子的加速。当粒子径向向内移动时，粒子镜点的磁场值不断增加。 由于磁矩守恒，垂直磁场方向的动能也增加。又由于粒子弹跳运动的距离逐渐减 少，粒子平行磁场方向的动能也增加了。 投掷角扩散使得粒子的镜点沿着磁力线向低高度扩散，这是使得俘获粒子沉 降到大气层的主要机制，也就是说，这个机制控制了俘获粒子的寿命，磁扰动期 间，投掷角的扩散率大大增加，使得沉降粒子大大增加。在非对称磁场中，投掷 角扩散总是伴随着径向扩散。l = 3 时，粒子与回旋波1 8 i 共振产生的引起投掷角扩 散是粒子的投掷角向大气损失锥扩散的主要机制。 由上述可见，环电流粒子总是存在着下列几种主要过程( 1 ) 注入到俘获区( 2 ) 加速( 3 ) 扩散( 4 ) 损失。某些扩散和加速过程是耦合在一起的。从长时间的平均来 看，注入和损失的平衡决定了环电流的平衡状态。 2 4 磁暴环电流与磁暴的关系 磁暴睁9 i 、磁层亚暴、地磁亚暴、极光亚暴和电离层亚暴等都是磁层的扰动 形式，也都反映在电流系统的扰动变化卜。 d s t 指数是表征赤道面电流强度的指数。选不受极光电急流和赤道电急流影 响，经度大致均匀分布的五个中纬地磁站，取这些台站地磁水平分量的时均值与 相应的宁静水平分量之差就是d s t 值，它是磁层环电流强度的量度。在地球同步 轨道高度区磁暴环电流产生的磁场值可与当地磁场相比，可以使得地磁场减少一 半以上，甚至使得磁场反向。 磁暴： 磁暴 3 1 , 4 6 1 是指整个地球磁层发生的持续十几个小时到几十个小时的一种剧 烈扰动，其主要特征是在地球的大部分地区，磁场的水平分量显著减少，然后逐 渐恢复。1 9 9 4 年，空间物理学家们提出了磁暴的定义：氏时间的、足够强的行星 际对流电场，使磁层一电离层系统能量显著增加，导致环电流增强，使d s t 指数 超过了一些关键性的指标。目前比较普遍接受的指标是：d s t 2 0 0 n t 磁暴， 2 0 0 n t d s t 一1 0 0 n t 为强磁暴，1 0 0 n t d s t = 7 r e ) 。磁暴【4 3 , 4 4 】期间， 在强的、起伏的对流电场【2 】【3 】作用下，再次被加速，并注入到低l 的环电流区。 从图2 1 1 可以看到电离层上行的0 + 在强磁暴演化中的两种作用。造成最后的暴 环电流离子模式与离子分布的层析成像反演 时环电流最大值的快速增强并引起同样快速的环电流的初始衰退。 环电流主要是由能量为2 0 2 0 0 k e v 的离子组成的，主相期间其位置3 l 4 。 为了了解环电流的形成和增强过程，必须弄清楚这些粒子是如何被注入这一区域 的。有两个因素可能起主要作用：一是发生在磁暴期间的磁层亚暴磁场偶极化【4 l 】 时的感应电场1 3 2 】，一是强的i m f 南向磁场驱动的对流电场。磁暴曾经被认为是由 一系列强的磁亚暴瞄】组成的，也就是说，磁暴时环电流的增强是一系列的亚暴粒 子注入的结果。另一方面，对流电场 3 1 是磁暴的主要起因，因为强的i m fb z 将 使得磁层对流加强。 亚暴感应电场对粒子的注入作用是l 越大，粒子越容易向内注入，l 越小， 粒子向内移动越困难。磁层亚暴偶极化1 4 l 】的感应电场可以将粒子从近地等离子体 片内边界注入到同步高度附近，但不可能将粒子注入到l 4 的内磁层。 对流电场【2 3 j 可能穿透l ( 4 的磁层，因此对流电场可能将粒子注入到l 4 内。 磁暴的发生总是伴随着亚暴。磁暴和亚暴【”l 的发生都要求i m f 有南向分量， 此时太阳风输入的能量一部分释放到极区1 4 j 电离层，增强极光电急流，产生亚暴 膨胀相，一部分能量释放到赤道环电流，产生磁暴。 产生磁暴主相效应的除了对称的环电流外，还有部分环电流。实际上磁暴 期间h 分量的变化在经度方向是非常不对称的。部分环电流是亚暴膨胀相期间离 子受到加热并注入同步高度以内形成的。这些离子大部分从磁尾【4 2 向西偏转，先 进入傍晚侧，其寿命约为2 3 h ，形成了局域性的“小型环电流”。从而造成h 分 量变化的经度非对称性。进而，如果强磁亚暴连续发生，它们不断地向同步高度 以内注入热离子，部分环电流便逐渐向对称环电流发展。磁暴与亚暴在这一方面 的关系1 “1 也有待作进一步的研究。 s h e l d o n 和h a m i l t o n 发现宁静期间，除由越尾电场引起轻微的晨昏不对称 外，环电流相对于地方时基本是对称的。地磁活动期问，环电流的分布和宁静期 间分布差距很大。磁暴主相期间，环电流粒子从磁尾向地球注入，因此在背阳面 粒子通量比在向阳面高。相对地方时的非对称性决定于粒子的能量。高能粒子漂 移快，在1 h 内到达向阳面，低能粒子从背阳面到向阳面漂移需1 0 h 左右。 2 5 亚暴在环电流中的作用 地磁亚暴反映了电离层中电流系的扰动。 亚暴在环电流形成中的作用 环电流粒子的主要形成过程是等离子体片将粒子注入内磁层并且被俘获形 成的。粒子在强烈的晨昏电场驱动下注入环电流。但是在暴时环电流的形成中还 存在着争议：粒子的注入主要是产生于与强的磁层对流相关的电势场，还是主要 来自于与磁层亚暴相关的诱导电场【57 1 。 亚暴是地磁扰动最常见的形式。他们是高纬最常见的扰动，它们形成午夜出 现的极光。3 5 年以前，c h a p m a n 2 6 j 就指出，亚暴总是伴随着磁暴。实际上，他认 为亚暴是磁暴的分量。 m h e s s e 给出了亚暴的一种作用：亚暴是磁压力的地向释放，它增强了磁层的 循环并使得等离子体从磁层尾部进入环电流。对于近地磁纬等离子体传输进入内 磁层和环电流来说，存在着两个束缚条件：第一个，因为磁层等离子体是无碰撞 的并且无阻力的，等离子体和磁层磁场冻结在一起相当于一个超导体，并且随 第二章环电流理论与观测及其与地磁扰动的关系 着磁场场线束一起运动形成了充满等离子体的通量管。第2 ，如果传输是绝热的， 通量管体积中的温度变化和压力变化之间的关系是：a ( p v 7 ) a r t = o ，在这里绝热 系数是y25 3 ，微分通量管的体积与沿场线体积矿2 严b 积分的磁场强度b 有 关，因为依赖于1 b ，通量管在磁尾非常大，而在内磁层中则相对小很多，p v r 如 果要保持常数，那么从磁尾到内磁层的压力增加的非常多，等离子体压力的增加 会阻断流动和循环。 b a u m j o h a n ne ta 1 等发现，那些发生在磁层亚暴主相期间的亚暴起始在近地 磁尾的平均离子温度与不伴随磁暴的亚暴起始期间的离子温度是不同的。亚暴增 长相期间，中央的等离子体片的离子都会被加热。亚暴起始到恢复相开始时温度 的提高对于两种亚暴来说都是同样类型，差不多2 k e v 。暴时亚暴和非暴时亚暴 的不同在于起始相之前的离子温度的平均水平，和在增长相和恢复相期问中央的 等离子体片离子的典型能量。暴时膨胀相的加热可能更快，平均能量8 k e v 的离 子在暴时亚暴起始相后只需要1 5 3 0 分钟。相反在非磁暴的膨胀相期问，典型的 中央的等离子体片只能加热n 3 4 k e v 。在典型的亚暴起始之前磁尾等离子体高能 化的原因是之前的亚暴活动很可能发生在磁暴期问，而典型的磁暴主相具有相同 的南向太阳风行星际磁场和增高的太阳风磁层耦合。l i u 与r o s t o k e r 1 9 9 5 i i _ f 明了如果等离子体在磁尾和内磁层之间来回流通，磁尾等离子体将在一系列的亚 暴中获得能量。 在磁层亚暴的第二阶段，即膨胀相期间，由磁层进入内磁层的能量较高的等 离子体使环电流增强。亚暴对于环电流的成分变化起到了重要作用。主要的成分 变化是由于与亚暴紧密相关的电离层离子上行。不连续的d + 的增多，是电离层 离子上行的信号，可以在亚暴的膨胀相和增长相被地面雷达与在电离层上层的极 轨卫星观测到，它们确实证实了强的电离层离子上行与亚暴膨胀相的关系。 2 6 环电流的损失过程 电荷交换造成环电流的损失是环电流的主要损失过程 磁层等离子体的损失过程的重要性在大约4 0 年以前就开始得到重视了。 s t u a r t 1 9 5 9 指出日+ 和其他大气中的氢原子交换电荷非常有效的去除了地磁场 中俘获的能量h + 离子。同年，d e s s l e r 和p a r k e r 也指出，能量离子与外大气层 中性氢电荷交换过程是环电流损失的有效方法。通过这个过程，能量离子与中性 氢碰撞将使中性氢原子带电并使得能量离子中性化。例如对于能量h + ，电荷交 换产生的能量中性氢1 1 5 j 从捕获磁场中逃逸，并且沿着原来离子的运动方向，且保 持同样的能量。 环电流主要的损失机制是环电流中的离子与地冕中的中性成分电荷交换。见 图2 1 2 是电荷交换过程的示意图。地冕是外大气层冷( 约1 0 0 0 k ) 的中性原子。因 为( ) 原子需要大约l o k e v 的能量克服地球的重力场，而越轻的原子或分子逃逸需 环电流离子模式与离予分布的层析成像反演 要的能量就越少，因此地冕的主要成分是氢。地冕的密度随到地球的距离增加而 快速下降，因此在大约1 0 r e 之上，离子和地冕的氢之间的碰撞就非常少了。在环 电流的高度，碰撞的频率完全可以解释环电流离子的损失。 c h a r g e e x c h a 辩g e 尹r o e e s s e b m r g 订l c * 戗t 健i l $ t 4 m 图2 1 2 电荷交换过程示意图 电荷交换过程的反应方程可以写为： o + + h o 十h + h e ”+ h _ l i e + + h + d 即 e n a h e + + h h e + h + 当离子越过赤道平面在镜像点间反射进入相对低的高度的时候还可能会在上层 大气中与氧原子电荷交换： h + +