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太阳风在地球激波前兆区的减速以及地球内磁层的结构研究

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第一篇太阳风在地球激波前兆区的减速现象

第一章 地球激波前兆区的结构及其活动事件

1.1 激波前兆区简介

1.2 激波前兆区的太阳风减速

1.3 激波前兆区的精细结构

1.4 激波前兆区的低频波

第二章 数据和坐标系

2.1 CLUSTER-Ⅱ卫星计划

2.2 数据处理方法

2.3 坐标系

第三章 地球激波前兆区太阳风减速的观测

3.1 数据简介

3.2 减速的预期观测设想

3.3 个例分析

3.4 统计规律

3.5 原因分析

3.6 结论和讨论

第二篇地球内磁层的结构和动力学过程

第四章 地球内磁层结构及动力学过程简介

4.1 内磁层的早期观测

4.2 大尺度动力学过程

4.3 内磁层的形成理论

4.4 内磁层模型

4.5 内磁层的精细结构

4.6 内磁层中的波动

4.7 内磁层结构研究中存在的问题

4.8 研究内磁层结构以及动力学过程的意义

第五章 数据和模型

5.1 卫星计划

5.2 磁场模型

5.3 电场模型

5.4 数据分析软件

第六章 内磁层形状从夜侧到日侧的变化

6.1 前言

6.2 数据和模型简介

6.3 等离子层项的外移

6.4 等离子层顶的消失

6.5 重填率(REFILLING RATE)

6.6 讨论与小结

第七章 等离子体层中的密度洞

7.1 前言

7.2 数据简介

7.3 密度洞的观测

7.4 讨论与小结

第八章 总结

参考文献

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致谢

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摘要

本文分为两部分,分别探讨了太阳风在地球激波前兆区的减速现象以及地球内磁层的结构和动力学过程。
   对于第一部分,我们应用了CLUSTER卫星多点观测的优势,首次直接的观测到了太阳风在流经地球激波前兆区时会发生减速,减速的最大值约为22km/s。在减速的过程中,激波前兆区离子的温度得到了增加,同时也观测到了强烈的ULF波活动。太阳风减小的动能被认为是转化为了激波前兆区离子的内能,这种转化是通过ULF波和太阳风离子之间的波粒相互作用完成的。通过傅里叶分析,波望眼镜,以及偏振分析,我们发现引起太阳风减速的波模是阿尔芬哨声波,这种波的速度大于阿尔芬速度,频率介于阿尔芬波和哨声波之间,呈现右旋偏振状态,并且广泛的存在于地球的激波前兆区。通过对CLUSTER数据进一步的统计分析,我们发现太阳风减速在激波前兆区存在一定的分布规律:(1)当减速区沿着磁力线到弓激波的距离越小时,减速值越大;(2)通过减速区的行星际磁场和弓激波的夹角越小时,减速也越大;(3)减速区到ULF波动区边界的距离约为0-6RE时,减速最明显。减速的大小和ULF波动区的统计关系也暗示了ULF波对太阳风减速的作用。在太阳风减速的同时,流向也发生了偏转,太阳风偏转的分布和太阳风减速具有相似的规律。
   对于第二部分,我们通过分析IMAGE RPI& EUV,DMSP,ACE等卫星的测量数据以及地磁台站记录到的地磁活动指数,研究了内磁层中的一些特殊现象和特殊结构,以及它们的演化过程。我们发现,内磁层的形状从夜侧到日侧的改变主要是受等离子体重填过程的控制。在通常情况下,在夜侧存在的等离子体层顶在旋转到日侧之后也仍然存在,只是它的位置向外“移动”了一定的距离。通过对内磁层中磁通量管从夜侧到日侧的运动过程的追踪,我们发现等离子体层顶的这种“外移”主要是由等离子体的快速重填造成的。快速重填使得紧靠等离子体层项的那部分等离子体槽区的密度在半天的时间内上升到了和等离子体层相同的水平。这个结论也得到了DMSP在电离层观测到的外流离子通量的支持。一种非常极端的情况是,夜侧很明显的等离子体层顶在旋转到日侧之后就消失了,甚至到L=12之外都没有看到等离子体层顶的特征,这意味着从夜侧旋转到日侧时整个等离子体槽区的密度都被重填到等离子体层的水平。通过重填率的计算,我们发现通常情况下的重填率是0.27 cm-3h-1,极端情况下的重填率是0.88 cm-3h-1。这两个重填率分别接近于之前研究里面给出的重填率范围的下限和上限,因而都是合理的。我们对比了DMSP观测到的H+离子的外流通量和IMAGE观测到的电子密度的增加,发现电离层外流的离子足以是重填的源。另外,在IMAGE穿越内磁层的过程中,我们在等离子体层中观测到了一个密度洞,密度洞的大小约为△L=0.7。RPI主动模式测量到的场向电子密度的分布显示,密度洞沿着磁力线从IMAGE轨道面延伸到大约41°MIAT的地方。与此同时,DMSP在电离层相同地方时相同Lshell的地方也观测到了一个轻离子的低密度区,说明密度洞是一个从等离子体层沿着磁力线一直延伸到电离层的低密度结构。

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