（空间物理学专业论文）磁尾爆发性整体流的多点卫星研究.pdf

摘要 摘要 在磁尾等离子体片中，经常会出现爆发性整体流( b u r s tb u l kf l o w ，简称 为b b f ) 。自从a n g e l o p o u l o s1 9 9 4 年提出磁尾爆发性整体流以来，因为其在磁 层能量和磁通量输运过程及亚暴过程中所起的重要作用，近来一直是磁层物理学 界的研究热点。特别是目前围绕b b f 在磁层能量和磁通量输运方面所产生的针锋 相对的争议，更是引起了磁层物理研究人员的浓厚兴趣。欧空局c l u s t e r 卫星是 国际上首次探测磁层的同轨多点卫星，是国际首次能够研究磁层空间中小尺度物 理过程一个重要卫星计划。 本论文采用欧空局c l u s t e r 卫星的离子数据和磁场数据，利用c l u s t e r 四颗 同轨多点卫星的特点，研究磁层平静时期和亚暴时期的磁尾b b f 的空间和时间演 化特性，以及b b f 在整个磁层能量和磁通量输运过程中的作用进行了研究。并将 多颗卫星的观测结果与以前的单颗卫星的研究结果进行了比较。 我们主要使用了2 0 0 1 年和2 0 0 2 年7 月到1 0 月c l u s t e r 穿越磁尾的数据。测 量磁场的是仪器是磁通门磁强计。测量等离子体整体流密度、速度和温度的仪器 是c l u s t e r 离子谱仪。 为了比较亚暴期间和磁层平静时期b 昨的特点，我们首先对平静时期的b b f 事件进行了研究。2 0 0 1 年9 月7 日三颗卫星观测到一个平静时期的典型b b f 事 件，我们对该事件的时空特性进行了详细分析。利用同样的方法，对2 0 0 1 年和 2 0 0 2 年的另外几次b b f 事件也进行了分析，并将三颗卫星观测到的这些事件与 单颗卫星的结果进行了比较。研究发现多颗卫星联合观测到的b b f 事件的持续时 间要比单颗卫星观测到的大一倍左右，同时b b f 在晨昏方向上的摆动决定了三 个卫星观测到b b f 的先后次序，三颗卫星的观测也显示了b b f 的高度局域化特 征，b b f 的区域定义也会影响卫星的选取结果。磁宁静期磁尾b b f 寿命的增大，使 得b b f 携带的质量和能量的地向输运增加。这种地向输运增加的结果是：磁尾储 存的能量得到较为平稳的释放，改变了亚暴起始产生的时间，对解决磁层压力平 衡矛盾问题提供了新的思路。 然后，我们对2 0 0 1 和2 2 年的7 1 0 月的活动时期三颗卫星联合观测到 的2 0 9 个b b f s a n g 事件进行了研究。在三颗卫星观测到的2 0 9 个b b f s a n g 事 件中，c 1 只观测到了其中的1 6 2 个。c 1 观测到的b b f s a n g 事件平均持续时间 为6 0 4 秒，和以前单颗卫星给出的1 0 分钟左右的持续时间接近。而三颗卫星 c 1 ，3 , 4 联合观测到的2 0 9 个b b f s a n g 事件的平均持续时间为1 1 0 5 秒。如果考 虑到三颗卫星c 1 ，3 ，4 在中心等离子体片中的分布位置有限，那么b b f s a n g 事 件的平均持续时间可能大于1 1 0 5 秒。因此b b f s a n g 事件的平均持续时间可能 和亚暴爆发持续的时间幅度相当。 为了比较不同b b f 的判断标准，我们使用r a je ta l 2 0 0 2 的选取原则 磁尾爆发性整体流的多点卫星研究 对同样的数据进行了分析。c l ，3 , 4 联合选取出了2 4 3 个b b f r a j 事件，平均持 续时间为7 7 1 秒。在这2 4 3 个b b f r a j 事件中，c 1 总共观测到了1 3 4 个，平均 持续时间为5 2 7 秒。两种选取原则的结果表明单颗卫星观测到的事件的持续时 间要少于多颗卫星联合观测到的，说明单颗卫星观测在b b f 的研究中的局限性， 不能正确地反映b b f 的特性。两种b b f 判断标准的比较说明多颗卫星观测对r a j e ta l 2 0 0 2 的方法影响要比对a n g e i o p o u l o se ta i 1 9 9 4 的方法的影响更 加显著。 我们还研究了多点卫星观测中卫星之间的距离对研究结果的影响。c l u s t e r 卫星在2 0 0 1 年卫星之间的问隔在2 0 0 0 公里变化，2 0 0 2 年卫星之间的间隔在 4 0 0 0 公里变化。在三颗卫星观测到的2 0 9 个b b f s a n g 事件中，2 0 0 1 年观测到 其中的1 3 7 个，而2 0 0 2 年有7 2 个。在单颗卫星c 1 观测到的1 6 2 个事件中， 2 0 0 1 年观测到的为1 3 4 个，而2 0 0 2 年只有2 8 个。即2 0 0 1 年卫星间距较小时， 单颗卫星观测中b b f 丢失率是2 1 ；在2 0 0 2 年卫星间距较大时，单颗卫星 观测中b b f 丢失率是6 1 1 。其它判断方法也给出了类似的结果。在三颗卫 星观测到的2 4 3 个b b f r a j 事件中，2 0 0 1 年观测到其中的1 5 8 个，而2 0 0 2 年 只有8 5 个。在单颗卫星c l 观测到的1 3 4 个b b f r a j 事件中，2 0 0 1 年观测到的 为1 1 5 个，而2 0 0 2 年只有1 9 个。三颗卫星观测到的3 0 6 个r c e 事件中，2 0 0 1 年观测到其中的1 9 7 个，而2 0 0 2 年只有1 0 9 个。以上结果表明在卫星之间的问 隔比较小的加0 1 年，单颗卫星和多颖卫星观测到的事件数目相差不大；在卫 星之间的间隔比较大的2 0 0 2 年，单颗卫星和多颗卫星观测到的事件数目相差 很大；说明卫星之间的间隔影响观测结果。 我们还研究了b b f 在中心等离子体片中的发生率。单颗卫星c 1 观测到的 b b f s a n g 事件的持续总时间为2 7 2 小时，c l 在中心等离子体片内停留的总时 间为2 8 6 9 小时。因此单颗卫星c 1 观测到的b b f s a n g 事件在中心等离子体片 内的发生率为9 5 ，这个结果与a n g d o p o u l o sc ta l 1 9 9 9 的结果相当。三颗卫 星联合观测到的2 0 9 个b b f s a n g 事件的持续总时间为6 4 1 7 小时，三颗卫星 在中心等离子体片内停留的总时间为3 2 9 9 4 小时。因此多颗卫星观测到的 b b f s a n g 事件在中心等离子体片内的发生率为1 9 4 ，远大于单颗卫星c 1 观 测得到的b b f 发生率。 使用综合选取原则进行分析时发现三颖卫星可以同时观测到同一次b b f 事 件有时也只有一颖或两颖观测到b b f ，给出了其它卫星观测不到b b f 事件的原 因。( 1 ) 等离子体整体流的速度峰值满足b b f 选取原则中的峰值要求，但卫星 的运行轨道不满足：( 2 ) 卫星处于所要求的区域内，等离子体整体流的速度峰值 不满足：( 3 ) 中性片的复杂结构及其运动使得选取条件不能同时满足：( 4 ) b b f 空间分布高度局域化。统计研究结果表明：单颗卫星观测存在局限性，c 1 、c 3 和c 4 卫星独立观测到b b f 的持续总时间分别占它们联合观测到的5 5 0 7 、 7 7 4 8 和5 5 5 2 。 我们还研究了b b f 与亚暴的对应关系。2 0 0 1 年和2 0 0 2 年的7 月到l o 月总 i i 摘要 共选取出了6 7 个亚暴。在这6 7 个亚暴中，其中的4 2 个亚暴爆发期间单颗卫星 c l 总共观测到了1 6 2 个b b f s a n g 事件，剩下的1 5 个亚暴爆发期间，c 1 没有 观测到b b f s a n g 事件。这个结果与以前单点卫星的观测结果类似。但是如果 使用多颗卫星( c 1 ，c 3 和c 4 ) ，其中的6 4 个亚暴爆发期间可以观测到2 0 9 个 b b f s a n g 事件，只有三个亚暴爆发期间多颗卫星联合观测不到b b f s a n g 事件。 所以多点卫星的观测结果对以前单点卫星的观测结果做出了重要修正。即b b f 与亚暴的关系可能是一对一或者是多对一的对应关系。 快速对流事件( r a p i dc o n v e c t i o ne v e n t ，简称为r c e ) 是用水平磁通量 输运来定义的一种高速流事件。在三颗卫星联合观测到的3 0 6 次r c e 中，c l 观 测到2 1 5 个。c 3 观测到2 6 6 个，c 4 观测到2 2 7 个。统计研究表明单点卫星观测的 r c e 的平均个数缺失率是2 2 8 ，平均时间缺失率是4 0 5 。由此推论在整个中 心等离子体片内，快速对流事件所承担的能量和磁通量的输运量可能远大于单 点卫星观测给出的占总输运的3 0 - - 5 0 ，约为5 0 8 0 。8 5 0 7 的亚暴观测到 一次或多次r c e ，低于用速度来定义的磁尾爆发性整体流与亚暴的关系给出的 9 5 5 2 。所以用速度来定义的b b f 与亚暴的关系。比用磁通量定义的r c e 与亚 暴的关系要更加紧密。 关键字：爆发性整体流，亚暴，时间尺度，中心等离子体片 i i 磁尾爆发性整体流的多点卫星研究 a b s t r a c t b u r s t yb u l l 【f l o w so f t e no c c u ri nt h em a g n e t o t a i l s i n c ea n g e l o p o u l o se ta l 1 9 9 4 d e 血e d b b f ，d u et oi t si m p o r t a n c ei nt h et r a n s p o r to fm a s sa n dm a g n e t i cf l u xi nt h em a g n e t o s p h e r ea n d s u b s t o r m ，i tb e c a m ear a t h e rh o tr e s e a i l hs u b j e c ti nt h em a g n e t o s p h e r i cp h y i c s e s p e c i a l l y , t h e d i s p u t eo nt h et r a n s p o r to fe n e r g ya n dm a g n e t i cf l u xr e l e v a n tt ob b fa r o u s em o r ea n dm o l t i n t e r e s to fm a g n e t o s p h e r i cp h y s i e i s t s t h ec l u s t e rm i s s i o no fe u r o p e a ns p a c ea g e n c yi st h ef i r s t m i m i o nt h a tm u l t i - s a t e l l i t e so p e r a t ei nt h es a l v eo r b i t ，a n dp r o v i d e su n p r e c e d e n t e do p p o r t u n i t yt o s t u d ym i d d l ea n ds m a l ls c a l ep h n o m e n ai nt h em a g n e t o s p h e r e i nt h i st h e s i s ，u s i n gt h ep l a s m aa n dm a g n e t i cf i e l dd a t ao f t h r e es a t e l l i t e so f c l u s t e r , w es t u d y t h et e m p o r a la n ds p a t i a lc h a r a c t e r r i s t i c so f b b f d u r i n gb o t hq u i e ta n da c t i v et i m e so f m a g n e t o t a i l ， a sw e l la st h er o l eo fb b fi nt h et r a n s p o r to fm a s sa n dm a g n e t i cf l u xi nt h em a g n e t o s p h e r e i n a d d i t i o n ，w ea l s oc o m p a r et h er e s u l t so f t h r e es a t e l l i t e sw i t ht h o s eo f s i r i g l es a t e l l i t e t h ed a t ao fc l u s t e ri n j u l ya n do c t o b e ri n2 0 0 1a n d2 0 0 2w h e ns a t e l l i t e sc r o s s e dt h e m a g n e t o t a i la r eu s e di no u rs t n d y 1 h ef l u xg a t em a g n e t o m e t e r ( f g m ) p r o v i d e st h ed a t ao f m a g n e t i cf i e l d , a n dt h ec l u s t e ri o ns p e c t r o m e t r y ( c i s ) p r o v i d e st h ed a t ao ft h ed e n s i t y , t e m p e r a t u r ea n dv e l o c i t yo f p l a s m a w e f i r s ts t u d y t h e b b f o c c u r i n g i n t h e q u i e t t i m e o f m a g n e t o s p h e r e t h e d u r a t i o n o f a t y p i c a l b u r s t yb u l l 【b l o we v e n to fq u i e tt i m eo ns e p t e m b e r7 ，2 0 0 1i sa n a l y s e di nd e t a i l i na d d i t i o n ， s e v e r a lo t h e rb u r s t yb u l l 【f l o we v e n t st h a to c c u r r e di n2 0 0 1a n d2 0 0 2a r ea l s os t u d i e d t h er e s u l t s s h o wt h a tt h ed u r a t i o no fm u l t i - s a t e l l i t e si sa b o u tt w i c et h a to fs i n g l es a t e h i t e i ti sa l s of o u n d t h a tt h es e l e c t i o nc r i t e r i o no fb b fi n f l u e n c eo u rr e s u l t s t h eb b f sw i t hl o n g e rd u r a t i o nd u r i n g t h eq u i e tt i m eo f m a g n e t o t a i le n h a n c e st h ee a r t h w a r dt r a n s p o r to f m a s sa n de n e r g y , a n dc h a n g e s t h eo n s e to ft h es u b s t o r m o u rs t u d ya l s op r o v i d e san e wh i n tt ot h ep r e s s u r eb a l a n e e i n c o n s i s t e n c y 口b i ) t h e n ，w ea n a l y 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yv a r i o u sr e a s o n s f o re x a m p l e , ah i g hs p e e df l o wr e g a r d e da sb b f b yo a es a t e l l i t ec o u l dn o tb es e e na sb b fi fw eu s ed i ed a t ao fo t h e rt w os a t e l l i t e sb e c a u s et h e p e a kv a l u eo f b u l kv e l o c i t yo b s e r v e db yo t h e rs a t e l l i t e sw c r es m a l l e rt h a nt h r e s h o l dv a l u eo f b b e w h e nt h es a t e l l i t ei si nt h er e q u e s t e dr e g i o n t h ep e a kv a l u eo fb u 【v e l o c i t yd o e s n ts a r i s f y s i n c eb b fi s h i g hl o c a l i z e d ，t h r e es a t e l l i t e sr a r e l yh a v ei d e n t i c a lo b s e r v a t i o n s t h ee n t i r e d u r a t i o no fb b f so b s e r v e db yc i ，c 3 ，c 4a c c o u n tf o r5 5 0 7 ，7 7 4 8 ，a n d5 5 5 2p e r c e n t so ft h a t o b s e r v e db yt h r e es a t e l l i t e s j o i n t l y t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nb u r s t yb u l kf l o w si nt h em a g n e t o t a i la n ds u b s t o r m si sav e r y i n t e r e s t i n gp r o b l e m f r o mj u l yt oo c t o b e ro f2 0 0 1a n d2 0 0 2 ，6 7s u b s t o r m sw e r ei d e n t i f i e db y g r o u n do b s e r v a t i o n s t h es i n g l es a t e l l i t eo b s e r v a t i o n s ( c i ) s h o wt h a ta m o n gt h e6 7s u b s t o r m s ， 1 5s a b s t o r m sa r en o ta c c o m p a n i e db yb b f s a n g h o w e v e ri f w eu s em u l t is a t e l l i t eo b s e r v a t i o n s ( c i ，c 3a n dc 4 ) ，o n l yt h r e es u b s t o r m sa r en o ta c c o m p a n i e db yb b f s a n g 4 8s u b s t o r m sa l e v 磁尾爆发性整体流的多点卫星研究 a c c o m p a n i e db y 1 9 6b b f s c o l l i g a t i o n t h a ti s t o s a y , 7 1 6 4p e r c e n t s o fs u b s t o r ma r e a c c o m p a n i e db yo n eo rm o r eb b f s c o l l i g a t i o n b o t ho ft h er e s u l t so ft h e s et w os e l e c t i o ns h o w t h a to n es u b s t o r mm a yb ea c c o m p a n i e db yo n eo rm o r eb u r s t yb u l kf l o w r a p i dc o n v e c t i o ne v e n ti si nf a c th i g h - s p e e db u l l 【f l o wd e f i n o db yt h eh o r i z o n t a l 仃a n s p o r t o fm a g n e t i cf l u x a m o n g3 0 6r c e sd e t e c t e db yt h r e es a t e l l i t e ss i m u t a n e o u s l y , o n l y2 1 5r c e s a d e t e c t e db yc 1 2 6 6r c e sd e t e c t e db yc 3a n do n l y2 2 7r c e sd e t e c t e db yc 4 n es t a t i s t i c a l r e s u l t ss h o wt h a tt h ea v e r a g en u m b e rm i s s i n gr a t i oo fs i n g l es a t e l l i t ei s2 2 8 a n dt h ea v e r a g e t i m em i s s i n gr a t i oi s4 0 5 s oi tc a nb ec o n c l u d e dt h a tt h er a t i oo fe n e r g ya n dm a g n e t i cf l u x t r a n s p o r t e db yr c e so b t a i n e db yt h r e es a t e l l i t e sm a yb ef r o m5 0t o8 0p e r c e n t s w h i c hi sl a r g e r t h a nt h ep r e v i o u sr a t i oo b t a i n e db ys i n g l es a t e l l i t e s ( a b o u t3 0 - 5 0 ) 8 5 0 7 o fs u b s t o r ma r e a c c o m p a n i e db yo n eo rm o r er c e s ，w h i c ha r el e s st h a nt h er e s u l t sg i v e t lb yt h ev e l o c i t yc r i t e r i o n t h a ti s9 5 5 2p e r c e n t s s ot h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nb b f ( s e l e c t e db yv e l o c i t yc r i t e r i o n la n d s u b s t o r mi sc l o s e rt h a nt h a tb e t w e e nr c e ( d e f i n e db yt h eh o d z o n m lt r a n s p o r to f m a g n e t i cf l u x ) a n ds u b s t o r m k e y w o r d ：b u r s t yb u l kf l o w , s u b s t o n n ，t e m p o r a ls c a l e ，c e n t r a lp l a s m as h e e t 磁尾爆发性整体流的多点卫星研究 1 1 磁层 第一章地球磁层和亚暴 地磁场可近似地用相对于地磁轴对称分布的磁力线束来描述，其总的分布好 比一个位于地心的无扰动磁极子所产生的磁场，在没有任何外界作用的情况下， 它在行星际空间无限地延伸，并且大体上按与相对于地心距离的三次方成反比 例的关系减弱。 由于地磁场不断地受到太阳风的作用，当太阳风经过地球时便在太阳风中 产生感应电流，而这感应电流又产生一附加磁场叠加在地磁场上，使地磁场增 强，与此同时，地磁场对感应电流施加一种力使太阳风改变方向，因此太阳风 便绕开包围着地球的某一个区域，从而形成一个明确的边界，在这个边界以外 太阳风连续流动，而在边界以内地磁场被压缩，太阳风被排斥。于是太阳风和 地磁场相互作用的最终结果，使地磁场被限制在一个其外形近似于向阳端为半 球形的长圆柱体的空间范围内。这个由地磁场起控制作用的空间范围就叫做地 球的磁层，它占据离地面约1 0 0 0 公里高度至到距地心约1 0 r ，( 向太阳一侧， r 。代表地球的半径) 或者约1 0 0 0 r ，( 背太阳一侧) 的空间范围。此外，观测 还发现，当太阳上出现耀斑等活动现象时，地球的磁层还会发生变形，而且当 磁层外面的行星际磁场发生变化时也可能引起磁层变形。 1 1 1 磁层的大尺度结构 经过近几十年的探测，目前已经基本上弄清了磁层的大尺度结构。它不像 人们最初想象的那样是个虚无的“空腔”，而是具有复杂的结构，充满着各种不 同能量的带电粒子、各种时间尺度和空间尺度的电磁场以及频谱范围很宽的波 动。 图1 1 是地球磁层主要区域的缩略图。概括地说，有以下主要区域：太阳 风与地磁场相互作用形成的无碰撞弓形激波；由于太阳风的作用，向日面地磁 场磁力线被压缩形成一个半球形或椭球形的磁层头部，而背日面地磁场磁力线 被拉伸形成一个很长的柱形尾部；磁层与太阳风的界面叫做地磁场的边界或磁 层顶，靠近磁层顶的内侧有一热等离子体区域，称为等离子体幔；在弓形激波 和磁层顶之间的过渡区域称为磁鞘；在磁层头部和磁尾磁力线的交界处有一条 狭窄的通道，称为极尖区，随着行星际磁场南向分量的加强，极尖区的边界位 置向低纬度移动；由较低能量的等离子体在磁层内部组成等离子体层，等离子 体层的边界称为等离子体层顶；由于地磁场俘获大量带电粒子而形成辐射带； 磁尾南北半球的磁力线被一个界面分开，界面附近有一层热等离子体，厚度为 4 第一章地球磁层和亚暴 几个地球半径，称为等离子体片，等离子体片中磁场很弱，其中北边的磁力线 指向地球，南边的磁力线背离地球，形成磁中性片。下面简要介绍一下磁层主 要区域的基本特征。 1 1 1 1 弓形激波和磁鞘 太阳风到达地球附近的速度大约是3 0 0 8 0 0 公里，秒，平均约5 0 0 公里，秒， 大大地超过当地的声速和阿尔文波速( 约2 5 9 0 公里秒) 。以这样高的速度运动 的太阳风等离子体，当其受到地磁场的阻碍时，便在他们的前面形成一个弓形 激波，这与在高速飞行体前面形成的激波的过程相似。但是这样的激波与一般 空气动力学里谈的激波不同，这是因为太阳风的数密度很小，粒子之问几乎不 发生碰撞，因此这样形成的激波是一无碰撞的等离子体激波。弓形激波的平均 位置：在日下点( 即其向日面正对太阳的点) 约为1 4 r ，黎明一侧约为2 4 r ， 黄昏一侧约为2 8 詹。弓形激波的平均厚度约为1 0 公里的数量级。 磁鞘是弓形激波与磁层顶之间的过渡区域，它在日地连线方向上距地心大 约有 图1 - 1 地球磁层主要区域略图。 ( a ) 正午一午夜子午面投影；( b ) 从太阳上看到到尾部电流系统； ( c ) i e 午- 子夜一子午面的三维透视图 磁尾爆发性整体流的多点卫星研究 1 0 1 4 r ，而在垂直日地连线方向上大约是1 4 2 3 r ，。当然，由于太阳风强度 的变化，磁鞘的距离可变化2 5 左右。由于太阳风流过无碰撞弓形激波，在磁 鞘里存在着强烈的湍流，同时使向日面地磁场受到压缩，而由于地磁场的作用， 太阳风等离子体的数密度、温度、磁场和流速均发生很大的变化，即太阳风流 过激波面进入磁鞘后，其速度( 因而动能) 显著减小，但是磁鞘中等离子体的 温度、密度和磁场却比太阳风的高得多。 1 1 1 2 磁层顶 磁层顶是磁层的外边界，是磁层与太阳风之间的磁场和等离子体特性变化 的过渡区。在磁层顶外面主要是太阳风起作用，而在磁层顶里面主要由地磁场 控制。空间探测表明，在地球的向日面，磁层顶日下点距地心的距离随太阳风 粒子流特性的变化而在6 _ 1 5 r ，之间变化，平均距离约1 0 r ，而在黎明黄 昏子午面，磁层顶的平均距离约1 6 r ，；在一定的太阳风压力下，当行星际磁 场是南向分量时，磁层顶的位置较之行星际磁场是北向分量时更靠近地球，平 均相差约2 3 r ，。磁层顶边界层的平均厚度约几百公里，但向日面的比背日 面的更薄，且越向尾部延伸则越厚。在这薄的边界层内，地磁场的强度明显减 小，大约由5 0 纳特减d , n1 0 纳特，并且磁场的方向改变1 8 0 。 1 1 1 3 磁尾，中性片和等离子体片 由于太阳风与地磁场的相互作用，地磁场磁力线在背日面延伸得很远，形 成一个张开的地球磁尾。在那里，地磁场完全失去偶极形态，磁层等离子体的 分布也改变了，除沿磁层边界有一个等离子体幔外，在高纬度几乎没有等离子 体