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行星际磁场重联观测研究

作　者: 徐晓军
导　师: 魏奉思；冯学尚
学　校: 中国科学院研究生院（空间科学与应用研究中心）
专　业: 空间物理
关键词: 行星际太阳风磁云边界层喷流区磁场重联离子扩散区复杂ICME 磁通量管
分类号: P353
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

磁场重联是一个将磁能快速转化为等离子体动能和内能同时改变磁场拓扑结构的物理过程。磁场重联广泛存在于实验室,日球层及天体物理等离子体中。快速重联被认为在一些爆发现象中发挥着至关重要的作用:例如它能引起太阳耀斑和日冕物质抛射,将日冕中大量的物质和能量瞬间释放到行星际;太阳风等离子体也能通过磁层顶和磁尾的重联注入地球磁层内部,从而在近地空间形成灾害性空间天气。因此,磁场重联在整个日地空间环境链上都扮演着举足轻重的角色。研究磁重联物理过程,特别是通过卫星进行实地观测研究对于我们了解灾害空间天气的成因,发展过程以及未来控制空间天气都具有重要的现实意义。随着多项空间探测计划如Cluster ,Themis以及双星计划的成功付诸实践,磁场重联的实地观测研究在最近这个十年得到了飞速的发展。同时,我们注意到绝大多数的观测事件都发生在向阳面磁层顶和磁尾。而太阳风中磁云边界层和重联X线喷流区(X-Line Exhausts )的发现为我们提供了一个磁场重联观测研究的新视角和新领域。本文利用飞船对1 AU处附近太阳风等离子体的实地观测,找到并分析了一些行星际磁场重联事件,得到了一些崭新的结果。首先,我们在2000年11月26–27日的一个复杂行星际日冕物质抛射(ICME )内部的两个磁通量管中心附近观测到了大尺度电流片,其空间尺度达几千个离子惯性长度,首次发现这些中心电流片内有磁场重联发生,其中的一个事件观测到了重联反向喷流。ACE和Wind飞船的联合观测表明,复杂ICME中磁通量管与磁通量管之间的相互挤压导致了磁通量管中心附近电流片的形成,印证了Owens et al. (2006)提出的扭曲磁通量管模型;此外,电流片两端的等离子体压力差和剪切流等局部因素都有可能促进了重联的发生。尽管整个ICME中,等离子体的湍动很大,但是,发生在里面的重联仍然表现出了准稳态的性质,而重联两侧的磁场剪切角远小于180度表明这些重联属于分量重联,计算得到的重联率大于或等于5%,说明此处的重联为快速重联。这几个结论都与之前的太阳风磁场重联的观测相符。另外,我们推测发生在磁通量管中心附近电流片内的多点重联有可能将单个磁通量管分割为多个小的通量管结构。其次,我们首次报道了太阳风中一个和Petschek-like重联喷流区相关的离子扩散区。该事件发生在2007年01月06日05:34–05:40 UT,此时,太阳正处于活动低年,太阳风等离子体的密度只有0.04 cm?3,远远低于平均值。极低的太阳风等离子体密度对应的离子惯性长度相对较大,为我们观测到离子扩散区提供了有利的条件。观测表明,该重联喷流区的边界为一对慢模波,其速度变化比阿尔芬速度小。慢模波之间为一个霍尔扩散区,其中有明显的霍尔磁场特征以及等离子体离子和电子密度下降区,此外,作为霍尔电流载流子的低能段电子的投掷角分布也符合扩散区磁场位形。该离子扩散区的空间尺度达到了80个离子惯性长度,仍然在开放边界条件的大尺度系统下的数值模拟结果范围之内。重联率约为2%,也在快速重联的范围。尽管数值计算结果表明Petschek-like结构能够在无碰撞磁场重联中产生,但是地球磁层和太阳风中对于磁场重联的观测都没有直接的证据证明这个结论。本文中,我们观测到的与Petschek-like重联喷流区相关的离子扩散区事件则从观测上证明了无碰撞等离子体中的磁场重联确实能产生Petschek-like结构。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-13
表格  13-14
插图  14-19
第一章绪论  19-35
  1.1 磁场重联简介  20-24
    1.1.1 磁场重联理论的起源  20-21
    1.1.2 磁场重联的分类  21-24
  1.2 稳态磁场重联模型  24-29
    1.2.1 一些基本方程  24-25
    1.2.2 Sweet-Parker 重联  25-27
    1.2.3 Petschek 重联  27-29
  1.3 无碰撞磁场重联简介  29-33
    1.3.1 广义欧姆定律  29-31
    1.3.2 扩散区理论  31-33
  1.4 小结  33-35
第二章行星际磁场重联概述  35-47
  2.1 引言  35
  2.2 磁云边界层里的磁场重联  35-40
    2.2.1 磁云  35-36
    2.2.2 磁云边界层及其中的重联  36-40
  2.3 Petschek-like 重联喷流区  40-45
    2.3.1 Petschek-like 重联的证认  40-43
    2.3.2 Petschek-like 重联的主要性质  43-45
  2.4 小结  45-47
第三章行星际复杂ICME 中磁通量管中心大尺度电流片内的磁场重联  47-69
  3.1 ICME 和复杂ICME  47-50
  3.2 2000 年11 月的复杂ICME 中的重联喷流区观测与分析  50-61
    3.2.1 2000 年11 月的复杂ICME 事件  50-52
    3.2.2 2000-11-26 重联喷流区事件  52-57
    3.2.3 2000-11-27 重联喷流区事件  57-61
  3.3 解释与讨论  61-65
    3.3.1 磁通量管中心附近电流片的形成原因  61-63
    3.3.2 可能引发磁场重联的局部因素  63-65
  3.4 小结  65-69
第四章行星际与Petschek-like 重联喷流区相关的霍尔扩散区的观测  69-85
  4.1 引言  69-70
  4.2 Petschek-like 重联喷流区的观测  70-72
  4.3 离子扩散区的证据  72-80
    4.3.1 霍尔磁场  72-76
    4.3.2 等离子体密度下降区  76-78
    4.3.3 电子投掷角分布  78-80
  4.4 讨论  80-83
    4.4.1 重联率  80-81
    4.4.2 电子的加热与加速  81-83
  4.5 小结  83-85
第五章总结与展望  85-89
  5.1 主要研究结果  85-87
  5.2 工作展望  87-89
参考文献  89-106
发表文章目录  106-107
致谢  107

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