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无碰撞磁场重联扩散区结构和电子加速

作　者: 王荣生
导　师: 陆全明；李中元
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 空间物理
关键词: 无碰撞磁场重联磁尾电流片重联扩散区次级磁岛电子投掷角分布高能电子亚暴
分类号: P353
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

磁场重联是空间物理和实验室等离子体物理中重要的研究课题,也是研究热点和难点。卫星观测是研究磁场重联的重要手段之一。本文利用Cluster卫星磁尾观测数据,研究了磁场重联扩散区结构、电子密度空穴、高能电子加速、电子投掷角分布和亚暴等问题,得到了一些重要结果，具体如下：1.无碰撞磁场重联扩散区结构及次级磁岛利用Cluster卫星2003年10月4日的观测数据,分析了单个重联事例。观测发现，离子扩散区中心区域出现了次级磁岛。次级磁岛带有很强的核心磁场，磁岛长宽比约为2：1.即磁岛是扁平结构，在z方向被压缩(GSM坐标系)。磁岛内部,能量达200keV的高能电子通量出现峰值,电子平行温度大于垂直温度，对磁岛内部结构进一步分析发现,磁岛的“外部区”电子密度出现峰值.而磁岛“核心区”电子密度降低到很低水平。同时发现磁岛“外部区”.沿磁力线方向存在很强的电子束流，从而形成了由磁场数据计算得到的逆着磁力线的电流。此电流产生了核心区很强的核心磁场,挤压电子，使得电子堆积于磁岛的“外部区”，分析扩散区内电子谱线发现，扩散区内电子分布呈平顶分布,在磁岛的“外部区”,这种平顶分布依然存在,但是在“核心区”.平顶分布消失,出现了电子的指数分布。由于低能电子被加速,低能电子的相空间密度必然降低,而较高能量电子的相空间密度增加,使得在一定能量范围内，电子的相空间密度保持定值,及所谓的平顶分布。重联电场和扩散区及磁岛“外部区”观测到的低混杂波可能同时加速电子，形成了观测上的高能电子分布。2.无碰撞磁场重联扩散区内电子投掷角分布利用2001年9月10日的观测数据,发现Cluster卫星分成两组同时穿越了磁尾重联扩散区的南北部分。分析发现,X线区域附近分界线外侧区域,低能电子呈双向分布、而高能电子呈各向同性分布；分界线以内的区域,低能电子依旧出现双向分布.而高能电子出现逆着磁力线方向的电子束流。对于出流区域,分界线附近,低能电子沿磁力线进入X线区域、高能电子逆着磁力线流出X线区域,靠近电流片区域,低能电子出现双向分布、而较高能量的电子各向同性分布。利用粒子模拟,给出了这些分布的形成原因。X线区域,低能电子由于磁镜效应,将在X线区域多次弹跳,故低能电子出现双向分布。在X线区域被加速的电子，沿磁力线离开,形成高能尾,所以,出流区分离线附近,低能电子流入X线区域、高能电子流出。当卫星进入出流区电流片中心区域,低能电子出现双向分布而高能电子各向同性。由于磁镜效应,低能电子沿着磁力线多次来回弹跳,形成了这种双向分布。对于高能电子.电子的回旋半径和磁场曲率相当.电子随机运动、形成了各向同性的分布。3.无碰撞磁场重联扩散区内高能电子空间分布利用2001年9月10日的重联事例,分析了扩散区内部高能电子的空间分布。分析发现,高能电子堆积于重联堆积区,而在X线区域高能电子很少。等离子体温度也出现了类似的变化：X线附近温度降低,而在堆积区温度升高。此外,高能电子分布在X线地侧和尾侧不对称,在地侧的高能电子通量高于尾侧的通量。依据观测推断电子只在扩散区被加速,被加速电子堆积在重联堆积区。观测否定了二步加速机制,因为如果电子在堆积区被进一步加速,我们将会在堆积区之外观测到更多高能电子。X线地侧和尾侧高能电子分布的不对称性可能是由于地球偶极磁场所致。4.磁层亚暴单事例分析磁尾磁场重联和磁层亚暴关系密切,利用位于中磁尾的CLUSTER卫星,同步轨道附近LANL-01、LANL-97卫星,近磁尾POLAR和极区IMAGE卫星的观测,分析了单个亚暴事例。在此事件中,中磁尾磁场重联起始比近尾电流片中断早3分钟发生,电流片中断发生4分钟后,IMAGE卫星观测到极光增亮,同时AE指数突然增大,亚暴膨胀相起始。观测结果与亚暴中性线模型较为吻合。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第1章引言  12-46
  1.1 磁场重联简介  17-18
  1.2 经典电阻MHD磁场重联模型  18-20
    1.2.1 Sweet-Parker重联模型  18-19
    1.2.2 Petscheck模型  19-20
  1.3 无碰撞磁场重联模型  20-41
    1.3.1 无碰撞磁场重联的扩散区结构  23-32
    1.3.2 无碰撞磁场重联中的密度空穴  32-36
    1.3.3 无碰撞磁场重联中电子加速  36-39
    1.3.4 扩散区附近电子投掷角分布  39-41
  1.4 磁层亚暴  41-42
  1.5 Cluster卫星简介  42-46
第2章无碰撞磁场重联扩散区结构  46-62
  2.1 计算方法简介  47-48
    2.1.1 Multi-spacecraft Timings方法  47
    2.1.2 Curlometer方法  47-48
  2.2 重联扩散区结构分析  48-51
  2.3 次级磁岛结构分析  51-56
  2.4 扩散区密度空穴的观测  56-60
    2.4.1 重联事例一  56-57
    2.4.2 重联事例二  57-60
  2.5 本章小结  60-62
第3章无碰撞磁场重联中电子加速  62-82
  3.1 重联扩散区电子投掷角分布  62-73
    3.1.1 X线附近的电子投掷角分布  65-67
    3.1.2 出流区附近的电子投掷角分布  67-70
    3.1.3 粒子模拟研究重联区域电子角分布  70-73
    3.1.4 小结  73
  3.2 扩散区附近高能电子分布  73-75
  3.3 次级磁岛加速电子  75-80
  3.4 小结  80-82
第4章多点X线重联观测证据  82-88
  4.1 多点X线重联事例分析  84-86
  4.2 小结  86-88
第5章磁层亚暴的单事例分析  88-94
  5.1 单亚暴事例分析  89-93
  5.2 小结  93-94
第6章总结和展望  94-96
参考文献  96-104
攻读学位期间发表的学术论文与取得的其他研究成果  104-105
致谢  105-106

无碰撞磁场重联扩散区结构和电子加速

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