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磁层—电离层耦合场向电流研究

作　者: 程征伟
导　师: 史建魁；张铁龙
学　校: 中国科学院研究生院（空间科学与应用研究中心）
专　业: 空间物理学
关键词: 磁层-电离层耦合场向电流等离子体片边界层统计特性暴时特性
分类号: P352
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

场向电流(FAC,也称做Birkeland电流)在磁层-电离层耦合中起着十分重要的作用。早期的场向电流探测主要集中在低高度范围,因为在那里电流片的运动速度比起卫星的运动速度要慢许多,所以可以通过一颗卫星的探测数据近似估算电流密度。但是探测高高度范围内的场向电流则至少需要两颗卫星,因为通过单颗卫星无法区分物理量的时空变化,也就无法计算电流密度。ClusterII卫星的四点空间探测给我们提供了一个非常好的机会,使得我们可以利用所谓的“curlometer”方法直接计算电流密度,进而研究空间不同区域的场向电流特性。本文利用ClusterII四颗卫星上磁强计(FGM)提供的高分辨率数据对磁尾等离子体片边界层的场向电流特性进行了研究。研究内容包括磁尾等离子体片边界层场向电流的统计特性研究,不同行星际太阳风条件下场向电流特性研究和磁暴期间的场向电流事件研究。本文还利用极轨卫星TC-2上的磁场探测数据,对极区中高度范围内的场向电流进行了初步研究。主要结果分别叙述如下。(1)磁尾等离子体片边界层场向电流的统计特性研究,其中包括场向电流的空间分布特性研究和密度分布特性研究。研究结果显示:场向电流的空间分布存在明显的晨昏不对称性,晨侧地向FAC的发生率高于尾向FAC的发生率,昏侧尾向FAC的发生率高于地向FAC发生率。这表明等离子体片边界层的场向电流是与电离层I区场向电流相连的。同一侧(无论是晨侧还是昏侧)地、尾向FAC的电流密度相比较,尾向FAC的密度都要大于地向FAC的密度。晨侧的地、尾向FAC的电流密度都要大于相应昏侧的地、尾向FAC的电流密度;场向电流的空间分布还存在着南北半球不对称性,将场向电流从等离子体片边界层投影到地球两极,其分布与极光椭圆带相吻合,北半球形状为一个椭圆形,南半球形状大致为一个圆形。北半球,晨侧地向FAC远多于尾向FAC;昏侧尾向FAC远多于地向FAC。南半球则不同,晨昏两侧均是尾向FAC略多于地向FAC;场向电流的发生率随电流密度存在着一个分布,它是由一个高斯分布与一个指数分布组成的。地向和尾向场向电流密度的最可几值分别为3.38 pT/km和-3.75 pT/km。(2)大尺度场向电流的控制因素研究,对场向电流在不同行星际磁场、太阳风条件下的变化规律进行了研究。研究结果表明:场向电流的发生率与行星际磁场By、Bz都有一定的关系。场向电流更容易发生在行星际磁场南向且数值较大的情况下。在行星际磁场南向时观测到场向电流的几率更大。行星际磁场昏向分量增加时更有利于场向电流的产生;场向电流密度大小与太阳风速度大小和太阳风动压的强弱有着密切的关系。场向电流密度随太阳风动压的增大而增大,这种增大是非线性的,太阳风动压越大,其对场向电流密度的影响也就越大。太阳风速度和地向FAC的变化趋势是一致的,即对应的太阳风速度增加,地向FAC也增加;尾向FAC密度变化与太阳风速度的关系比较复杂,但是总体变化也是一致的。(3)磁暴期间的场向电流事件研究。在2001年仅仅找到两天有磁暴发生且卫星穿越等离子体片边界层并可以得到足够的场向电流事件。这两天分别位于磁暴的急始和主相初期(2001年8月17日)和磁暴的主相后期及恢复相阶段(2001年10月1日)。我们主要研究了这两次磁暴期间场向电流变化特征以及它与极光电集流指数AE之间的关系。主要结果如下:在磁暴期间,场向电流密度会有明显的增强。从磁暴急始到主相初期,场向电流密度的大小与AE指数近似负相关;主相后期到恢复相初期,场向电流密度大小与AE指数近似正相关;在磁暴恢复相后期,场向电流与AE指数无明显关系。同时我们也进一步研究了场向电流与西向电集流指数AL以及东向电集流指数AU之间的关系。AL指数对磁尾等离子体片边界层场向电流密度变化的响应较为明显,从磁暴急始到主相初期,场向电流增大,AL指数增大;场向电流减小,AL指数减小。磁暴主相后期到恢复相初期,场向电流增大,AL指数减小。由此可见场向电流主要与AL具有一定的相关关系,不过它与AL指数的关系不如与AE指数的关系明显。AU指数对磁尾等离子体片边界层场向电流密度变化的响应较AL指数不明显。双星计划与ClusterII计划相配合,实现了人类历史上首次对日地空间的六点探测,为我们提供了很好的条件研究磁层-电离层耦合场向电流。本论文还利用双星计划中极轨卫星TC-2卫星在轨期间的磁场探测数据,对极区中高度范围内的场向电流进行了初步研究。我们首先建立了场向电流坐标系,并且选取了IGRF作为背景磁场.通过计算我们得到了一些场向电流事件并且区分了I区场向电流和II区场向电流。随着研究的深入,我们将对中高度范围内的场向电流进行统计研究,并且将结果与磁尾处和低高度的场向电流进行对比。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-12
第一章磁层电离层有关知识  12-26
  1.1 地球磁层  12-17
    1.1.1 磁层结构  12-13
    1.1.2 磁层模型  13-15
    1.1.3 磁层中的电流系统  15-17
  1.2 地球电离层  17-23
    1.2.1 电离层分层结构  17-18
    1.2.2 电离层中的电流系统  18-23
  1.3 电离层-磁层耦合  23-26
    1.3.1 电离层-磁层电流耦合  23-24
    1.3.2 电离层-磁层电流体系  24-26
第二章国内外场向电流的研究状况  26-48
  2.1 场向电流的理论研究  27-30
  2.2 低高度（电离层高度）的场向电流研究  30-34
  2.3 内磁层的场向电流研究  34-40
  2.4 磁尾场向电流的研究  40-45
  2.5 以往场向电流研究小结  45-46
  2.6 本文的研究工作  46-48
第三章磁尾等离子体片边界层场向电流分布特征的研究  48-86
  3.1 探测数据  48-49
    3.1.1 关于ClusterII计划  48-49
    3.1.2 研究中所用到ClusterII的数据  49
    3.1.3 研究中用到的其他数据  49
  3.2 利用ClusterII四颗卫星磁场数据计算场向电流的方法  49-52
  3.3 利用SQL数据库对卫星数据进行初步处理  52-53
  3.4 研究中的有关问题  53-61
    3.4.1 投影磁场方向的确定  54-55
    3.4.2 等离子体片边界层的确定和场向电流事件的选取  55-61
  3.5 利用ClusterII卫星等离子体探测数据计算场向电流  61-63
  3.6 PSBL场向电流空间分布特性研究  63-67
  3.7 PSBL场向电流与AE指数的有关分析  67-71
  3.8 PSBL场向电流密度分布研究  71-83
    3.8.1 引言  71-72
    3.8.2 对2001 年场向电流密度的统计  72-76
    3.8.3 对场向电流密度误差数据的拟合  76-81
    3.8.4 对场向电流密度分布的拟合  81-83
  3.9 结论与讨论  83-86
第四章场向电流控制因素的研究  86-102
  4.1 行星际磁场对场向电流的控制  87-96
    4.1.1 与行星际磁场By、Bz的相关分析  87-91
    4.1.2 与行星际磁场clock angle、cone angle的相关分析  91-93
    4.1.3 将场向电流沿磁力线向极区的投影  93-96
  4.2 太阳风对场向电流的控制作用  96-99
  4.3 结论与讨论  99-102
第五章磁暴期间等离子体片边界层场向电流事件研究  102-112
  5.1 引言  102-103
  5.2 探测数据  103-104
  5.3 等离子体片边界层的确定  104-105
  5.4 两次磁暴期间FAC密度特性变化  105-106
  5.5 两次磁暴期间AE与FAC的关系分析  106-108
    5.5.1 2001 年8 月17 日磁暴期间AE与FAC的关系  106-107
    5.5.2 2001 年10 月1 日磁暴期间AE与FAC的关系  107-108
  5.6 两次磁暴期间AL、AU与FAC的关系分析  108-111
  5.7 总结与讨论  111-112
第六章利用双星探测资料研究场向电流  112-120
  6.1 引言  112
  6.2 关于双星计划  112-113
  6.3 利用TC-2 探测数据计算场向电流的方法  113-115
    6.3.1 背景磁场和场向电流坐标系  113-115
    6.3.2 场向电流的计算  115
  6.4 TC-2 观测到的场向电流  115-119
  6.5 总结与讨论  119-120
第七章总结  120-124
  7.1 总结  120-122
    7.1.1 场向电流的分布特性  120-121
    7.1.2 场向电流的控制因素  121
    7.1.3 磁暴期间场向电流研究  121-122
  7.2 进一步的工作  122-124
    7.2.1 继续利用ClusterII探测数据研究场向电流  122
    7.2.2 用TC-2 探测数据研究场向电流  122-124
附录  124-126
参考文献  126-136
发表论文及会议报告  136-138
致谢  138

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