地球内磁层中超低频波的观测研究

发布时间：2020-06-27 06:10

【摘要】：本论文基于多卫星探测方法首先对2015年9月1日的超低频波动事件进行了观测研究,之后又对2016年1月25日和2月22日的两个超低频波动事件进行多事例研究,论文分为四大部分。第一部分为引言,首先介绍了磁层的基本结构,然后介绍了磁层中的超低频波动,包括超低频波的来源及分类、径向波模与环向波模的区别以及激发波动的内部源和外部源,然后又介绍了该领域的研究历史与现状,接着又介绍了MMS、RBSP、THEMIS的卫星计划,最后为本论文的章节安排。第二部分为具体的观测事件的分析研究。这部分首先展示了RBSP、MMS、THEMIS、GOES卫星的观测概况,多颗卫星都在2015年8月31日的23:00 UT到9月1日的18:00 UT之间观测到了超低频波动的信号。然后介绍了这些卫星观测到的波动在空间的分布情况,在8月31日的23:00 UT到9月1日的02:30 UT之间,RBSP-B、THEMIS-A、GOES-13初次观测到的波的分布是全球性的,在9月1日的06:00 UT到18:00 UT之间,RBSP和MMS-1又观测到的波的分布转变为局限在有限的L和MLT的范围内。这部分最后介绍了该超低频波动的性质,包括偏振特性、谐波模式以及波数的大小。在波动发生期间,该波动的偏振态随着时间发生变化,随着比值|Ba|/|Br|从最初的0.82减小到最后的0.13,该波动由最初的混合波变成了最后的较纯的径向超低频波。通过MMS-1的磁场(Br)和电场(Ea)的时间序列的相位差,确定该事件为二次径向谐波。通过对MMS的三颗卫星的波形采用timing分析的方法确定该波动事件的方位角波数为-232。第三部分研究了激发波动的自由能。激发波动的自由能不仅可以由bump-on-tail的离子分布提供也可以由向地的等离子体径向密度梯度提供。通过比较_(?W)~(?1))|_,和_(dW?L)~(dL?1))|_(,(2)的绝对值大小来研究究竟是哪种机制起作用或者说究竟是哪种机制起主导作用。在RBSP连续观测数据的四轨中有三轨的数据都表明向地的等离子体径向密度梯度对波动的激发起主导作用。等离子体径向密度梯度的值有时为正有时为负,而负的等离子体径向密度梯度提供了激发波动所需要的自由能,正的等离子体径向密度梯度会抵消由bump-on-tail的离子分布(_(?W)~(?1))|_,0)提供的自由能。第四部分又利用RBSP和MMS的联合观测研究了2016年1月25日和2月22日的两个超低频波动事件。这两个事件都发生在磁暴的恢复相后期,波动分布在晨侧和正午之间的区域。RBSP观测到的两次波动都发生在低L-shell(4.7-5.8),MMS观测到的两次波动都发生在高L-shell(8.0-14.2)。在高L-shell,超低频波偏振以环向波为主,沿磁力线方向为基频谐波。在低L-shell,超低频波偏振以径向波为主,沿磁力线方向为二次谐波。本文利用多卫星联合观测深入研究波动的激发机制,研究结果对我们理解超低频波的产生与传播以及超低频波动对辐射带和环电流动力学的影响具有重要意义。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P318.6
【图文】：

磁层,结构示意图,等离子体层,冷等离子体

图 1-1 磁层结构示意图（https://en.wikipedia.org/wiki/Magnetosphere）地球的等离子体层是地球磁层的一个区域，由低能的冷等离子体组成，它位于电离层之上。等离子体层的外边界称为等离子体层顶（Plasmapause），等离子体层顶处等离子体的密度发生突变。Don Carpenter 于 1963 年通过对 VLF 哨声波数据的分析发现了等离子体层。传统地说，等离子体层被认为是一种行为良好的冷等离子体，其粒子运动完全由地磁场控制，因此会与地球共转。2014 年，

示意图,磁力线,振荡模式,示意图

则脉动 Pc 的五个子类分别为 Pc1、Pc2……Pc5，不规则脉动为 Pi1 和 Pi2。然而，某个特定频段的地磁脉动也有可能呈现向波模（Poloidal mode）与环向波模(Toroidal mode)偶极子的场线就像振动弦，磁力线的两端被冻结在导电的电离是磁力线可以弯曲。偶极子磁力线有两种主要的振荡模式，在方位角方向有位移并产生方位角方向的磁扰动，如图 1.2 的向模式是磁力线在径向方向有位移并产生径向方向的磁扰动，板所示。任何一种模式都可能以不同的谐波振荡。图 1.2 的第谐波，磁力线两端之间包含奇数个（图中为 1 个）半波长。图的是二次谐波，磁力线两端之间包含偶数个（图中为 2 个）半激励场线的情况下，许多不同的谐波可能会同时被激发。

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