（无线电物理专业论文）日侧磁层顶磁重联过程的卫星和地面联合观测研究.pdf

摘要 日侧磁层顶边界层是太阳风磁层耦合和相互作用的重要区域。太阳风可以 通过日侧磁层顶向地球磁层输运或转换质量、动量和能量，而磁重联则是这一输 运或转换过程中最为重要的物理过程之一。本文基于我国南极中山站和北极黄河 站白天处在极隙区并形成地磁共轭的优越地理条件，联合c l u s t e r 卫星簇和我国双星 ( t c 1 、t c 2 ) 及超级双极光雷达网( s u p e r d a r n ) 和欧洲非相干散射雷达 ( e i s c a t ) 的协同观测，对于行星际磁场( i m f ) 南向和北向两种情况选取了五 个典型的日侧磁层顶磁重联事件并加以详细分析，试图揭示日侧磁重联产生的通 量传输事件( f f e s ) 和高纬尾瓣重联的演化特征和物理特性。 在南向行星际磁场( i m fb z 0 ) 下，本文还详细分析了2 0 0 4 年3 月2 6 日 0 9 ：0 0 1 0 ：0 0u t 期问乖n 2 0 0 5 年1 月1 1r 0 9 ：0 0 1 4 ：0 0u t 期间c l u s t e r t c 1 卫星穿越磁 层顶前后的磁通门磁力计( f g m ) 和电子电流试验仪( p e a c e ) 及地面c u t l a s s s u p e r d a r n 雷达和我国北极黄河站全天空极光的同时观测资料，并考察了相应时 刻低轨卫星d m s pf 1 3 观测的粒子沉降和等离子体对流数据。分析被投影到局地磁 层顶法线坐标系( l m n ) 的磁场数据和卫星p e a c e 记录的电子能谱数据发现在北 向行星际条件下卫星观测到了一些典型的磁重联特征，该特征伴随有明显的粒子 加速和等离子体混合特征。这些磁重联可能是高纬尾瓣重联。地面c u t l a s s s u p e r d a r n 雷达观测到了“赤向运动雷达极光结构”和向阳对流的增强，该对流 增强的持续时间大约为8 分钟，说明这些高纬尾瓣重联的演化时间大约为8 分钟。 我国北极黄河站全天空极光观测显示了北极极区电离层对磁层顶磁重联有很好的 响应，并且发现极光增亮的区域与行星际磁场( i m f ) 时钟角有很强的依赖关系。 d m s pf 1 3 卫星观测的电离层相应区域软电子沉降和离子色散特征进一步证实了 尾瓣重联的发生，该卫星观测的等离子体对流方向和c l u s t e r 卫星观测的高纬重联产 生的f t e s 的运动方向及我国北极黄河站观测的该区域的极光运动趋势基本一致。 日侧磁层顶磁重联过程及其动力学效应十分复杂，本文仅分析和研究了五个典 型的事件。尽管本文揭示了一些新的结构和现象，并对f t e s 的演化过程形成了一 些新的认识，但对磁层顶磁重联的整体形态、磁重联的三维几何结构、磁层顶磁 重联对极区电离层的影响等问题尚待进一步深入研究。 关键词：磁重联 通量管传输事件c l u s t e r 双星-s u p e r d a r n e i s c a t a b s t r a c t t h ed a y s i d em a g n e t o p a u s e b o u n d a r yl a y e ri st h ek e yr e g i o nf o r t h es o l a r w i n d - m a g n e t o s p h e r ec o u p l i n ga n di n t e r a c t i o n s o l a rw i n dp l a s m ac a ne a s i l yc r o s st h i s r e g i o nt ot r a n s f e rm a s s ，m o m e n t u ma n de n e r g yi n t ot h em a g n e t o s p h e r e o n eo ft h em o s t i m p o r t a n tw a y so ft h e s et r a n s f e r r i n gp r o c e s s e si st h em a g n e t i cr e c o n n e c t i o n b a s e do n t h eg o o dg e o g r a p h i cl o c a t i o n so fm a g n e t i cc o n j u g a t eb e t w e e nc h i n e s ez h o n g s h a n s t a t i o ni na n t a r c t i ca n dy e l l o wr i v e rs t a t i o ni n a r c t i c ，t h i st h e s i s c o o r d i n a t e d c l u s t e r d o u b l e s t a r ( t c 一1 a n d t c 一2 ) ，s u p e r d u a la u r o r a lr a d a rn e t w o r k ( s u p e r d a r n ) a n de i s c a tr a d a ro b s e r v a t i o n sf o rf i v es e l e c t e dc a s e so ft h em a g n e t i c r e c o n n e c t i o n so nt h e d a y s i d em a g n e t o p a u s ed u r i n g s o u t h w a r do rn o r t h w a r d i n t e r p l a n e t a r ym a g n e t i cf i e l d ( i m f ) t h ef i v ec a s e sw e r ea n a l y z e di ns o m ed e t a i lf o r t r y i n gt or e v e a lt h ee v o l u t i o n sa n dp h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i co ft h ef l u xt r a n s f e re v e n t s ( f r e s ) o r i g i n a t e db yt h em a g n e t i cr e c o n n e c t i o n so nt h ed a y s i d em a g n e t o p a u s e 1 ， u n d e rs o u t h w a r di m f ( b z 0 ) c o n d i t i o n ，t h i st h e s i sa l s oa n a l y z e dt h es i m u l t a n e o u s o b s e r v a t i o n so ft h ef g ma n dp e a c ei n s t r u m e n t so n b o a r dt h ec l u s t e rs p a c e c r a f t ，t h e c u t l a s ss u p e r d a r nr a d a ra n dt h ea l ls k yi m a g e ra tc h i n e s ey e l l o wr i v e rs t a t i o ni n n y a l e s u n d ，a r c t i cd u r i n g0 9 ：0 0 1 0 ：0 0u to n2 6m a r c h2 0 0 4a n d0 9 ：0 0 1 4 ：u to 觳 1 1j a n u a r y2 0 0 5 c o m b i n i n gt h em a g n e t i cf i e l dd a t ae x p r e s s e di nl m nc o o r d i n a t e s w i t ht h ee l e c t r o ns p e c t r o g r a m sd a t af r o mt h ep e a c ei n s t r u m e n to n b o a r dc l u s t e r1 ，i ti s s h o w nt h a tas e r i e so fh i g h l a t i t u d el o b er e c o n n e c t i o ns i g n a t u r e sw e r eo b s e r v e d ，w i t h c l e a ra c c e l e r a t i n ga n dm i x i n go fm a g n e t o s h e a t ha n dm a g n e t o s p h e r i cp l a s m a p o p u l a t i o n s t h e s em a g n e t i cr e c o n n e c t i o ns i g n a t u r e sm i g h tb eo r i g i n a t e d b yt h eh i g h l a t i t u d e l o b e r e c o n n e c t i o no nt h ed a y s i d em a g n e t o p a u s e as e r i e so f “e q u a t o r - w a r dm o v i n gr a d a r a u r o r a lf o r m s ”( e m r a f s ) a n de n h a n c e ds u n w a r df l o w sw e r eo b s e r v a t e db yc u t l a s s s u p e r d a r nr a d a r t h ed u r a t i o n so ft h ef l o we n h a n c e m e n t si sa b o u t8m i n u t e s ， s u g g e s t e dt h a tt h ee v o l u t i o nt i m eo ft h em a g n e t i cl o b er e c o n n e c t i o n si sa b o u t8m i n u t e s f r o mi t so r i g i no nm a g n e t o p a u s et oi t sa d d i t i o ni n t ot h ep o l a rc a p t h eo p t i c a la u r o r a m e a s u r e m e n t ss h o w e dt h a tt h eo b s e r v a t i o n a li o n o s p h e r i cr e g i o nw a sg o o dr e s p o n s et o t h em a g n e t o p a u s er e c o n n e c t i o n s 。t h er e g i o n so ft h ea u r o r ab r i g h t e n i n gw e r em u c h d e p e n d e n to nt h ei m fc l o c ka n g l e t h el o w a l t i t u d ep a r t i c l ep r e c i p i t a t i o n ，o b s e r v e db y t h ed e f e n s em e t e o r o l o g i c a ls a t e l l i t ep r o g r a m ( d m s p ) f 1 3 ，a r ep r e s e n t e dt os h o wt h e i n t e n s em a g n e t o s h e a t h - l i k ee l e c t r o np r e c i p i t a t i o na n das t e p p e di o nd i s p e r s i o ns i g n a t u r e ， w h i c ha r et h eg o o dr e s p o n s et ot h ep u l s em a g n e t o p a u s er e c o n n e c t i o n s ( f t e s ) a n dt h e b o u n d a r ys t r u c t u r ec r o s s i n g t h ep l a s m af l o wm e a s u r e m e n t sb yf 1 3w e r ec o n s i s t e n t w i t ht h em o t i o no ft h ef r e ( o r i g i n a t e db yl o b er e c o n n e c t i o n ) o b s e r v e db yc l u s t e ra n d t h et r e n d i n go ft h ea u r o r am o t i o n si nt h ec o r r e s p o n d i n gr e g i o n so ft h eo b s e r v a t i o nf r o m t h ea l ls k y i m a g e ra tc h i n e s e y e l l o wr i v e rs t a t i o n t h em a g n e t i cr e c o n n e c t i o n so nt h ed a y s i d em a g n e t o p a u s ea n dt h e i rd y n a m i ce f f e c t a r eq u i t ec o m p l i c a t e d t h i st h e s i so n l yd e t a i l e d l ya n a l y z e da n ds t u d i e df i v et y p i c a lc a s e s a l t h o u g ht h i st h e s i sr e v e a l e ds o m 6n e ws t r u c t u r e sa n dp h e n o m e n a ，a n df o r m e ds o m e n e wu n d e r s t a n d i n g ，t h eg l o b a lc o n f i g u r a t i o n so ft h em a g n e t i cr e c o n n e c t i o n so nt h e d a y s i d em a g n e t o p a u s e ，t h e3 - dg e o m e t r ys t r u c t u r eo fm a g n e t i cr e c o n n e c t i o n s ，a n dt h e i o n o s p e r i cr e s p o n s et ot h ed a y s i d em a g n e t i cr e c o n n e c t i o ni np o l a rr e g i o ns t i l lr e m a i nt o b ef u r t h e ra n a l y z e da n ds t u d i e d k e y w o r d s ： m a g n e t i c r e c o n n e c t i o n c l u s t e r d o u b l es t a r f l u xt r a n s f e r e v e n t s ( f r e s ) s u p e r d a r n e i s c a t 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 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做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：呈鑫法孟日期础：丝兰7 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论 文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期 第一章引言 第一章引言 同侧磁层顶边界层是太阳风一磁层耦合和相互作用的重要区域。太阳j x l 可以 通过日侧磁层顶向地球磁层输运或转换质量、动量和能量，而磁重联则是这一输 运或转换过程中最为重要的物理过程。磁重联是磁场冻结效应失效时磁场的拓扑 形态发生变化、磁力线断开并重新连接的一个物理过程。当行星际磁力线和地磁 磁力线在日侧磁层项附近第一次相交时能量传输过程开始了，于是彼此重联( 有 时也叫合并) 导致产生了较为稳定的一端连接地球磁场，另一端包含在行星际磁 场中的开放磁力线。研究日侧磁层顶磁重联过程( 如通量管，f t e s ，磁层顶的运 动等) 的演化特征及其在地面上的响应，对研究太阳风一磁层一电离层相互作用 有十分重要的意义。 本章将对磁层顶边界层的结构进行简要的概述，接着对日侧磁重联产生的通量 传输事件( f i e s ) 的特征和磁重联各种模型进行详细的介绍，然后对日侧磁层顶 磁重联过程的卫星和地面联合观测研究现状进行简单的概述，最后总结和归纳本 文重点研究的问题，说明其研究意义和重要性。( 本章前三节大部分内容引自参 考文献【1 】) 。 1 1 磁层项边界层的结构 磁层顶是磁鞘和磁层之间的交界区，其外侧是经过弓激波压缩和偏转后的太阳 风等离子体和磁场，内侧是磁层等离子体和地磁场。查普曼( c h a p m a n ) 矛l 费拉罗 f f e r r a r o ) 2 1 1 9 3 1 年最先提出，太阳在活动期间向外喷发粒子流，地磁场把粒子流屏 蔽在外，两者之间形成一个电流片。1 9 5 1 年贝尔曼( b i e r m a n n ) i3 j 通过对彗尾的研究 发现，太阳不断地向外喷发等离子体。邓基( d u n g e y ) 据此预言，地磁场应持续地存 在其外边界1 4 1 。1 9 5 8 年发现地球辐射带和磁层以后，地磁场外边界就被称为地球磁 层顶。1 9 6 3 年美i 玉i e x p l o r e r l 2 首次探测到向阳面地球磁层顶1 5 j 。图1 1 给出了探险者 1 2 的磁场探测结果。图中a 和甲表示磁场的极角和方位角，磁场大小田i 以特斯拉( n n 为单位。实线为地球偶极磁场的外推值，离散点为实测数据。卫星由磁鞘飞往磁 层。在接近0 9 ：0 0 u t 处磁场方向出现突变，强度下降约一半。这是磁层顶存在的明 显证据，其时卫星的地心距为11 3 r e 。 经过三十多年的进一步观测和理论研究，人们现在认识到过去关于磁层顶的概 念过于简单化了，从磁鞘到磁层的过渡不是一次突变完成的，其中存在着若干层 次和不同尺度的结构。磁层顶应该定义为磁鞘和磁层之间的多层次的过渡区【6 】，过 渡区中心为磁层顶电流片。磁层顶大尺度结构在电流片的磁鞘一侧有磁流体慢驻 2 日侧磁层顶磁重联过程的甲星和地面联合观测研究 波( s t a n d i n gm h d s l o ww a v e ) ；手l 磁鞘过渡层( m a g n e t o s h e a t ht r a n s i t i o nl a y e r ) ，在磁 层一侧有磁层顶边界层( m a g n e t o p a u s eb o u n d a r yl a y e r ) 。磁层顶边界层可划分为低 纬边界层和高纬边界层，后者包括向阳面的进入层( e n t r yl a y e r ) ，极隙区( p o l a rc u s p r e g i o n ) 和背阳面的等离子体幔( p l a s m am a n t l e ) 。中尺度结构主要为与局地瞬时磁重 联( t r a n s i e n tm a g n e t i cr e c o n n e c t i o n ) 相联系的通量管结构以及k e l v i n h e l m 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( f i l a m e n t a r yc u r r e n t s ) 和波状密度与磁场的不均匀结构等。 r 图1 1 探测者1 2 关于磁层的探测结果。图中a 和甲表示磁场的极角和方位角，磁场大小p l 以 特斯拉( n d 为单位。实线为地球偶极磁场的外推值，离散点为实测数据。 磁层顶作为交界区是太阳风和磁层发生耦合和相互作用的主要区域。这些相互 作用在产生多层次和多尺度结构的同时，导致太阳风不断向磁层传输能量、动量 和质量。平均能量输送率约为1 0 2 1 瓦，动量输送率约2 5 x 1 0 6 牛顿，质量输送率约 4 0 x 1 0 2 7 离子秒。太阳风一磁层耦合过程象发电机和发动机一样在磁层中产生电场 与电流和驱动大尺流的磁层对流，平均电动势约1 0 5 伏，总电流约1 0 7 安培。太阳风 一磁层耦合作用还随着行星际磁场和太阳风参数的变化“准周期”地引起极光、磁 暴、磁层亚暴以及其他的地磁活动现象，不停地加热极区电离层和热层。 太阳风和磁层相互作用有两种主要的类型：粘性相互作用和磁重联。1 9 6 1 年 第一章弓l 专 3 a x f o r d 和h i n e s l 7 】首次提出太阳风一磁层的粘性作用模型。他们认为当太阳风流过 磁层外侧时，两者之间会由波动弓| 起粘性作用，使太阳风( 磁鞘流) 的动量传进磁层。 粘性作用不伴随有显著的质量传输，也不改变磁层顶附近磁场拓扑形态。磁重联 燃d u n g e y s l 在1 9 6 1 年首先提出来的。他指出，当行星际磁场( i m f ) 南向时，会 在向阳面磁层顶附近与地磁场联结起来，太阳风等离子体可沿着磁力线直接进入 磁层，把能量和动量传入磁层。1 9 6 3 年他又提出，i m 翻匕向时它会和高纬背阳面地 磁场相联结。这两个模型的基本思想在很大程度上影响着四十多年来磁层物理学 和磁层顶动力学的发展。美函v e l a4 b 和欧空局h e o s1 2 卫星首先发现磁层顶电 流片内侧存在羞边界层结构。美国t 9 7 7 年发射的国际太阳地球探测卫星 i n t e r n a t i o n a ls u n e a c he x p l o r e r0 s e e ) 1 , 1 2 号多次穿越磁层顶，详细考察了边界层 特性，确定了电流片厚度( 1 9 7 8 ) ，观测到了磁鞘过渡层( 1 9 7 8 ) 君1 慢驻波( 1 9 9 0 ) 。特 别是发现了准定常磁重联在磁层顶存在的证据( 1 9 8 1 ) ，使人们对磁重联机制和邓基 模型出怀疑转变为接受。1 9 7 8 年又发现，大多数磁层顶磁重联具有瞬时和局地的 特征，称之为通量传输事件( f r e s ) ，从而把磁层顶动力学和磁重联研究推进到一个 新的阶段。 1 2 通量传输事件( f t e s ) 1 9 7 8 年h a e r e n d e l 等【9 】最先从h e o s2 资料中注意到，磁重联可以在一段短暂的 时间内出现于高纬磁层顶区的有限区域之中。这一年稍后，r u s s e l l 和e l p h i c 1 0 j 从i s e e1 2 卫星数据中发现，i m f 南向时，低纬磁层顶及其附近磁场和等离子体 经常出现持续1 2 分钟的扰动，它们大约每6 9 分钟重复一次，伴随有磁通量传输 和等离子体流的增强，因此称作“通量传输事件”( f l u xt r a n s f e re v e n t s ) ，简称f t e s 。 他们认为f i 卫s 是一种瞬时磁重联现象；磁场和等离子体的扰动特征表明，磁层顶 附近磁场形态发生了变化，磁鞘和磁层中的磁力线穿过磁层顶电流片联结了起来 形成了一个“开放的”磁通量管，如图1 2 所示。图中箭头的实线代表磁鞘侧的磁力 线，虚直线表示卫星相对运动的路径，大箭头表示通量管运动方向，小箭头代表 场向电流方向。f r e s 的发现，证实了磁重联经常以瞬时和局地的方式发生于磁层 顶，弓l 起了入们极大的关注。 1 2 。1e w e s 的磁场扰动特征 f t e s 具有特定的磁场扰动特征。匿熏3 是i s e e 王和2 在磁层颈两侧观测到 一个典型事例【1 1 1 。1 9 7 7 年1 1 月8 同，卫星在北半球从磁鞘向磁层运动，多次穿越磁 4 日侧磁层顶磁重联过程的卫星和地而联合观测研究 图1 2 磁通量管示意图 层顶。图中画出了卫星在磁层顶电流片附近测得的磁场，b l 、b m 和b n 是局地 磁层顶法线坐标系( l m n ，详细见2 3 节中的坐标系介绍) 中磁场的三个分量。在 磁层和磁鞘中，b l 分别为正( 北向) 和负( 南向) 。如果磁层顶电流片是切向间断面， b n 应保持或接近为零。但是卫星于0 2 ：1 3u t 和0 2 ：3 5u t 两次测到b n 有持续1 2 分钟 的显著变化，它们都具有先正后负的“双极”( b i p o l a r ) 特征。图中用两条虚线标出邻 近电流片的磁鞘区中观测到的扰动。磁层内也有类似的现象。此外b l 和b m 也发生 了变化。 。l 一一一1 。 o 由t7 h ； 令姆弛。 i s e e - t 一 一 i s e 2 7 、吣啪如心。1旷旷一一n ； 知舢“s = 一蜘 l 札 。 mm j 一 吖a 叫俨删毁，一m 蚺、 v - j 一一人 _ 一。、 止一 一 vy一；v 一”叫”一”：q 1 、r 。 i i l ；，唧吖赫唧唧嘶科 、， _ _ 。o u r i i 坩r 8 日t qn 洲m b 吖& t 9 7 7 图1 3i s e e1 平1 1 2 对磁层顶通量传输事件的观测 第一章引言 磁场的这种三维变化意味着磁层顶电流片的平板型结构发生了局域性的改 变。北半球b n 先正后负，表明磁场先由磁层顶平面外( 磁鞘) 弯曲，然后再向里 弯曲。当b n 位于双极中心时，b l 和b m 的数值常常达到最大，这说明磁场的大小和 方向都发生了变化。再加上f t e 事件中带电粒子分布具有磁鞘和磁层成分混合的特 点，且扰动同磁鞘流一样向北运动，所以r u s s e l l 和e l p h i c 认为这是重联造成的结果， 并提出了如图1 2 所示的肘形重联通量管模型1 1 1 j 。不难验证，当图中的磁通量管向 北移动时，卫星在管得磁鞘和磁层一侧观测到的磁场变化确实具有f t e s 所相应的 特征。 如果r u s s e l l 币1 e l p h i c 的设想是正确的，那么当i m f 南向时，在南半球也可看到 f t e s ，且其b n 的双极特性应该是先负后正。进一步的观测证实了这一推断。本文 中c l u s t e r 矛l l 我国双星的观测也证实了这一结果。统计分析表明，b n 先正后负的f t e s 绝大多数出现在北半球，先负后正的绝大多数出现在南半球。 1 2 2f e s 的等离子体特征 磁鞘和磁层等离子体混合并存是f t e s 最重要的观测特征之一。无论是在磁鞘 一侧还是磁层一侧，只要出现e w e s ，就能同时观测到起源于另一侧的等离子体。 这也是r u s s e l l 和e l p h i c 主张的局地重联产生连通磁层顶两侧的磁通量管的重要依 据。p a s c h m a n n 等人1 1 2 j 对此作了进一步考察。图1 4 是i s e e1 7 ：1 9 7 7 年1 1 月2 9 日观测 n 3 个磁鞘f t e s 。图中n p 代表等离子体数密度，n p 和n e 分别代表起源于磁层的离 子( 能量为8 4 0k e v ) 矛1 2 电子( 能量为1 7 2 0k e v ) 的数密度，v p 代表等离子体速度j 单 位为k m s 。它们的温度比磁鞘的离子和电子高。这3 个f t e s 磁场的b n 分量出现明显 先正后负的双极结构，且通量管中起源于磁层的离子和电子清晰可见。磁鞘f t e s 一般n p 略有下降；磁层f f e sn p 值增加。 f t e s 经常伴随有等离子体流速的突然增加：向阳面低纬磁鞘区等离子体流的 速度通常为4 0 8 0k m s ，但出现f t e s 时可增加到1 5 0 3 0 0k m s 。人们相信这可能是 磁重联的又一证据，但至今对等离子体流的加速过程还没有满意的解释。 1 2 3f t e s 的时问和空间特征 在定常太阳风条件下，f t e s 经常以准周期系列的形式出现，特征周期为6 9 分钟。统计分析表明，f t e s 的这一特征与太阳风和行星际磁场的涨落无关。这可 能是太阳风磁层相互作用的非线性特征的一种表现。 以前，f t e s 的空间尺度可以用三种方法估算： ( 1 ) 、单个f f e s 的观测延续时间与其等离子体流速的乘积； ( 2 ) 、两颗卫星( 如i s e e15 t 1 2 ) 处于同一f t e s 两侧时两者间的距离； 6日侧磁层顶磁重联过程的卫星和地面联合观测研壅 ( 3 ) 、磁层顶隆起部分的遥感观测。 目前常用的方法为：首先通过卫星磁场测量计算出单个f r e 的运动速度坑肛。 然后假设该f 陋的通量管为圆柱形，且卫星从其中心穿过，卫星完全扫过该通量管 的持续时间为a t 。最后根据啡m = 吃出，计算出该f t e 的径向尺度。 i s 臣12 9 v1 9 7 7 班川li 。州i q 一 l 。i 1 i 1 吧i l , r l w i i i i 。 l i l l i 。i qj l l 。i 丽： 州l 刈 。” 丫1一v n p 1 0 ：id g ) 1 ll - - o ，耐 i ：，、，、n ，吨 -e lx 1 0 凡p l= - - l 冈e0 1 = - 。j曰、m 心 ： - = - 2 0 0 心d曲：埝舭l v p 1 5 0- 训 l o o 订订1 1 i i u tl l1 62 22 8孔4 065 25 80 4 1 01 61 s ：2 2 l 。 。 。l 。1 。 广 一们厂_ b e e ，一 日e e 2 一 吣衄 忙1 一小叫胡n 错村刈泸、 v _ 啃w 飞 i，、 。i6 们 垒i j 一岍一 k 一 耐毗k 岬世柳删 u 咖n h - 托研 图1 41 9 7 7 年1 1 月9 日i s e e l 观测到的f r e s 。图e 0 n p 代表等离子体数密度，n p 和n e 分别代表 起源于磁层的离子和电子数密度，v p 代表等离子体速度，单位为k m s ；b l 、b m 、b n 和i b l 分别是局地磁层顶法线坐标系中磁场的三分量和总磁场强度。 取单个f 陋的特征持续时间为1 2 分钟，等离子体流速约为1 0 0k m s ，易知沿着 流动方向f t e 一个特征长度l 一1 2 r e 。详细分析表明，f 1 r e 在磁层顶法线方向的 尺度一般应大于55 0 0k m ；对于b n 峰值大约1 0n t 和观测持续时间大于等于1 分钟的 f e s 而言，其特征长度l 一1r e 。 f 1 e 不同位置处磁场扰动之间有何关系? b n 变化的双极特性表明，f r e 内磁场 呈螺旋状的几何图形。此外，当i s e e1 矛1 1 2 在磁层顶法线方向的距离大于1 0 3k m 时， 经常可看至i b l 和b m 的变化是反位相的。这种现象的出现更加支持了f r i e s 的磁场 第一章引言 具有螺旋结构这一图像，因为在具有这种磁场的磁通量管相对两侧，切向磁场应 该平行。 f - e s 的速度与磁场之间也经常发现有密切关联。刘振兴等【1 3 】将观测数据仔细 处理后发现，( b x ，b y ) 和( v x ，v y ) 之间近似满足瓦伦( w a l 6 n ) 关系b 上= b o v 上y 爿， 这里云上和石上分别是磁场和流场的横向扰动，瓯是本底磁场强度的大小，矿一是 a l f v e n 波速。这表明，有一个a l f v e n 波在沿着重联磁通管向电离层传播，它携带着 场向电流了，= ( v 上云上) 和场向涡度孬= ( v 上x v 一上) 。螺旋磁场和磁流体蜗旋都 是同a l f v e n 波相联系得。取l 一1r e ，b 一1 5n t ，不难估算出场向电流强度 j ，= 2 x 1 0 5 a 。 1 3 磁重联的模型解释 磁流体动力学基本原理告诉我们，如果磁雷诺数尺。= u l r l 1 ，其中 r ；a 。仃，l 为特征空间尺度，u 为特征速度，则每个流体元的磁通量将保持不 变。从图象上看仿佛磁力线随着流体一起运动。这种现象称为“磁通量冻结”。在太 阳风和磁层中通常可以认为磁通量是“冻结”在等离子体里的。当吃s1 时磁通量冻 结条件被破坏。 若磁通量冻结条件成立，等离子体仅能沿着而不能跨过磁通量管混合。这样， 在两个相邻的起源不同、特性相异的等离子体区域之间就存在一个薄的边界将它 们分开，两侧磁场相切，方向和大小可以不同。这种边界即是一个电流片。磁层 顶电流片就是太阳风和磁层之间的边界。电流片中心磁场数值很小的区域内，磁 通量冻结的条件不成立，此时磁场将发生两种变化：磁扩散和磁重联。磁扩散即 磁湮没，磁场能量耗散为热能，它不改变磁场的拓扑形态，时间尺度为一r r 。 磁重联的时间尺度z rz 彰2 。1 2 ，其中f 。；l 圪为a l f v 6 n 时间。磁重联发生比磁扩 散快得多。磁重联将导致电流片附近磁场形态改变。 目前关于磁重联的定义有多种表述，只局限于普遍接受的二维、定常态重联； 还没有被关于三维动态磁重联的普遍定义。比较广泛应用的传统定义是：有等离 子体流过具有不同磁场形态的等离子体之间的边界( 即分型线s a p a r a t r i x ) ，并且 出现沿分型线的电场分量。按这种定义，磁重联就是磁场拓扑形态发生变化并伴 随有等离子体流流过分型线的过程。图1 5 a 画出了磁重联发生的区域，其中磁场 和等离子体流形态的变化密切相联系。图1 5 b 画出了重联过程中4 个等离子体 “元”( e l e m e n t ) 和磁场连接关系的变化。这种观点可称为“标准磁重联”( s t a n d a r d m a g n e t i cr e c o n n e c t i o n ) ( s m r ) 图像。 s m r 定义虽然应用广泛，但显然不适用于三维和动态重联过程。例如它不能 8 日侧磁层顶磁重联过程的卫星和地面联合观测研究 解释通常具有强核心磁场的磁通量管( 或称磁绳) 是怎样通过磁重联产生的。观 测和数值模拟表明，在发生重联的两个磁场分量所在平面的垂直方向上，存在另 一个磁场分量，同时有可能存在不止一个重联点( 弘点) 。显然s m r 过于简单，局 限性太强。s m r 定义适用于电流片两侧磁场反平行、没有第三分量的二维情形。 这种重联称为反平行重联( a n t i p a r a l l e lr e c o n n e c t i o n ) ，它仅引起磁场形态改变，产 生高速流。在有多个重联点时，它可以形成磁岛。磁岛是指两个x 点之间由闭合 磁力线组成的区域。磁岛中心称为“o ”点。伴随有第三分量参与的磁重联称为分量 重联( c o m p o n e n tr e c o n n e c t i o n ) ，它通常形成磁通量管。该“第三分量”叫着引导场 ( g u i d ef i e l d ) 。沿通量管轴线方向的磁场分量称为核心场( c o r ef i e l d ) 。分量重 联中的引导场有时很强，有时比较弱。目前还不清楚，引导场是否存在一个临界 强度值，超过它时，产生分量重联；低于它时，产生反平行重联。 ( a ) ( e a ( b ) 图1 5 ( a ) 标准磁重联图像；( b ) 磁重联过程中等离子体和磁场连接关系改变示意图 目前尽管观测已经确认，磁层顶和磁尾确实存在磁重联，并且在磁层动力学 过程中起着重要作用，磁重联的数值模拟和理论研究也有了长足的发展，但是至 今还没有一个普遍适用和广泛接受的关于磁重联的定义。l u i 等【1 4 】详细讨论了这 一问题，并提出了一个“工作定义”。该定义认为磁重联是一个包含以下三个特征的 物理过程：( 1 ) 该过程存在等离子体流流过边界分离区( b o u n d a r ys e p a r a t i n g r e g i o n s ) 并伴随着磁场拓扑形态发生变化，因而将磁能转化为粒子的动能：( 2 ) 第一章引言 9 该过程存在一个出重联面向外的磁场分量( 即导向场) ，因而重联通量管将被扭曲 而形成通量绳；( 3 ) 满足非理想磁流体力学f m h d ) 冻结条件的区域应该局限于能 与在等离子体对流速度方向上离子惯性长度相比拟的尺度范围内。这仅可视为前 进了一步，很可能会引起更多的争论。 无论怎样定义，我们认为，磁重联应该和必须包括以下五个因素：( 1 ) 理 想磁流体力学( m h d ) 冻结条件被破坏；( 2 ) 磁场拓扑形态发生变化；( 3 ) 等离子 体与磁场的连接关系改变；( 4 ) 磁场能量被释放，转化为等离子体动能热能；( 5 ) 有等离子体流流过区分不同形态磁场的分界面。此外，在发生重联的两个磁场分 量所在平面的垂直方向上，有可能存在第三分量。磁重联只发生在电流片内很薄 的区域内，该区域称为扩散区( d i f f u s i o nr e g i o n ) 。磁重联的快慢取决于扩散区、 电流片及其外部的条件。由于这些条件可能随时间变化，重联率因而不会是固定 不变的。 i ls o u t h t s o l a r w i n d 千 ln o r t h l s o l a r - - - - i w i n d n i n t e r p l a n e t a r yf i e l ds o u t h w a r d i n t e r p l a n e t a r yf i e l dn o r t h w a r d 图1 6 行星际磁场南向( 上) 与北向时( 下) d u n g e y 的开磁层重联模型( 该图为示意图，未考 虑磁尾长度和磁场大小，引nd u n g e y ，1 9 6 1 ) 由于磁重联可导致磁能的剧烈释放和转化，并引起不同区域等离子体之间能 量和质量的交换，可能是导致同冕物质抛射( c m e ) 、太阳耀斑和磁层亚暴的重要机 制，半个世纪以来越来越受到空问物理和太阳物理学界的关注。磁重联最早是为 解释太阳耀斑而提出的。这种观点认为，耀斑等离子体的快速加热是通过磁重联 消耗磁能实现的。d u n g e y l 8 】首先将磁重联的概念应用于磁层研究，建立了第一个 、，t 1 0 日侧磁层顶磁重联过程的p 星和地面联合观测研究 开磁层模型，如图1 6 所示。d u n g e y 模型没有被立即接受。部分原因是人们花了很 长时间才逐渐理解重联的物理过程及其重要性。 1 3 1 定常态磁重联模型及观测 1 3 1 1 s w e e t p a r k e r ( s p ) 模型 s w e e t l l 5 】和p a r k e r l l 6 】最先提出了二维定常磁重联模型。如图1 7 所示，图中阴 影部分为扩散区，长2 l ，宽2 1 ，l l 。图形上、下和左、右均对x 线对称，下 标i 和o 分别表示入流和出流。在二维定常条件下，电场是空间均匀的并与纸面 垂直。假设等离子体是不可压缩的，根据磁场散度为零和质量守恒、动量守恒， 可以得到 “。2 。堕：吃 p o p 即重联后出流速度与入流区a l f v 色n 速度相当。 通常定义重联率r 可定义为出流和入流磁通量携带率之比。对s p 模型，有 r ；蜂。生。堕 不难得到，对于s - p 模型 r = ( 7 l v a f ) v 2 = 耳v 2 其中s = l 7 2 为l u n d q u i s t 数，有时也叫磁雷诺数。日冕和磁层s i 很大( 分别为 1 0 8 和1 0 1 1 ) ，rs 1 0 一。由于出流速度远大于入流，重联后出流等离子体受到加速 ( 同时受到加热) ，入流等离子体中的磁能，转化成了出流等离子体的动能和热能。 图1 7s w e e t p a r