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[硕士论文] 姚淑涛
空间物理学 山东大学 2017(学位年度)
摘要:等离子体是一种多粒子的系统,不同粒子之间的参数有很大差别,存在着多个时间与空间尺度,因此我们往往需要使用不同的物理模型,描述和解释不同尺度的磁结构。早先受限于卫星数据的精度,人们研究的主要是大尺度,即磁流体力学(MHD,magnetohydrodynamics)尺度的磁结构,而对于小尺度,即动理学(kinetic)尺度的磁结构则研究甚少。同时,早先大尺度的磁结构的研究也存在着诸多未解决问题。因此,本文将对近地空间中不同尺度的磁结构(磁洞、磁峰、热流异常等)的特性及其产生机制进行研究。
  在工作一(第三章)中,我们利用Cluster卫星的数据,通过使用多种多点卫星数据分析方法,包括:Timing、最小方向导数分析(MDD)及时空差分(STD)方法,得到了磁尾等离子体片内小尺度磁洞在背景等离子体流中的传播速度。此外,基于电子磁流体力学理论,我们计算了一维电子孤波的传播速度、尺度与振幅,并将其与小尺度磁洞进行了比较。结果表明理论上的电子孤波与观测上的小尺度磁洞符合得很好。在工作二(第四章)中,我们利用MMS卫星高精度的数据,在地球磁鞘中发现了一类小尺度磁洞,其空间和时间尺度分别在10-20电子回旋半径(ρe)和0.1-0.3秒之间。这类结构具有丰富的电子变化特征,但不具有明显的离子变化特征。研究表明,90°投掷角的电子通量在能量为34-66 eV之间降低,在109-1024 eV之间增加。在垂直于磁场的方向上,电子流动具有涡旋的特点,这与磁洞磁场的降低是自洽的。此外,通过计算发现电流密度主要是由电子的抗磁漂移提供的,即电子涡旋流动是电子的抗磁漂移运动。电子磁流体力学下的二维孤立子理论可以用来描述这类涡旋。利用单粒子模拟,我们对磁洞内电子加速现象进行了模拟,结果与观测大体符合。在工作三(第五章)中,我们利用MMS卫星的数据,在地球磁鞘边界层中发现了一类小尺度磁通绳结构。这类磁通绳的尺度接近ρi,其轴向沿着背景磁场方向,并且沿磁力线方向的电流可能由电子束流提供,垂直磁力线的电流可能部分由抗磁漂移提供。在工作四、五(第六、七章)中,我们使用了上述的多点卫星数据分析方法,分别计算了磁鞘中的大尺度磁洞结构、地球弓激波附近的热流异常结构的传播速度,发现磁鞘的大尺度磁洞中有少部分具有传播、收缩和膨胀的特点,并且首次观测到了磁镜清晰的电子投掷角分布特征。热流异常结构的传播速度与快磁声波孤立子相似,结合等离子体特征,我们推断其可能具有磁流体力学条件下快磁声波孤立子的特点。
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