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[硕士论文] 李欣欣
空间物理学 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:波粒相互作用在辐射带高能电子动态变化中扮演着重要作用。以前的研究主要关注回旋共振和漂移共振,本课题研究磁声波与电子的弹跳共振。我们推导了电子和磁声波弹跳共振的理论扩散系数,并用测试粒子模拟的方法验证了这套扩散系数。这套扩散系数也适用于波谱在频率和传播角均有分布的波模。使用以往发表的磁声波模型,我们分析了波动模型参数变化对弹跳共振扩散系数的影响,并对其做了理论解释。通过计算磁声波和电子弹跳共振的扩散系数,以及弹跳共振下电子的通量变化,我们证明了磁声波可以通过弹跳共振造成高能电子的加速和投掷角散射,而且这种机制也能够有效散射投掷角90°附近的电子。我们得出电子和磁声波的弹跳共振可以在辐射带高能电子动态变化中起重要作用。
  
[硕士论文] 杜沛珩
空间天气学 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:地球等离子体层位于内磁层中,是连接电离层和磁层的重要区域。在内磁层中环电流、辐射带、电离层上层相互作用,共同影响着等离子体层的结构变化,因而研究等离子体层的结构变化具有重要的科学意义。
  等离子体层He+30.4nm辐射机制简单,辐射强度强。利用IMAGE卫星EUV成像仪首次获得了等离子体层全局图像,并发现了等离子体层的特殊结构,如等离子体层肩、等离子体层尾、等离子体层顶等。这些特殊结构会随着地磁活动和上游太阳风参数发生变化,因而研究等离子体层与地磁活动和上游太阳风的关系是本文研究的重点。
  利用IMAGE卫星EUV成像仪获得的等离子体层全局图像,并采用最小L算法(L为等离子体层顶位置)反演磁赤道面等离子体层顶位置。选取了2000~2002年间的3579幅等离子体层图像并反演得到了间隔为1h的等离子体层顶位置数据库,包含48899个等离子体层顶位置数据。利用该数据库统计研究了等离子体层顶位形随地磁活动的变化特性。统计发现等离子体层顶与地磁指数Kp、Dst和AE均呈负相关,且等离子体层顶随地磁指数的变化趋势随磁地方时(MLT)有明显的变化;亚暴活动对等离子体层顶演化的贡献在不同地磁活动期间有所不同,磁暴期间亚暴活动的贡献小,而地磁平静期亚暴的贡献大。
  利用ACE卫星获得的上游太阳风数据,采用Shepherd提出的方法计算上游太阳风的传输时间。在消除时间延迟的影响后与IMAGE-EUV数据资料进行匹配,建立等离子体层顶与上游太阳风参数的数据库。发现太阳风各项参数与等离子体层顶位形具有很强的相关性,太阳风速度(Vsw)和行星际磁场南向分量(Bz)与太阳风-磁层耦合和内磁层动力学有着在重要的关系,太阳风数密度(Nsw)和等离子体层顶之间的关系会随磁地方时(MLT)的变化而变化。
  分析Vsw、Bz、和Nsw与等离子体层顶位形变化我们发现,等离子体层顶的位置与太阳风速度呈负相关,说明等离子体层顶会随着太阳风速度的增加而减小;拟合等离子体层顶与Bz发现,Bz的数值越小,等离子体层顶的位置离地球越近。行星际磁场南向分量与地球等离子体层顶呈正相关,太阳风参数与等离子体层顶的拟合线斜率随MLT呈单峰变化;太阳风参数NSW与等离子体层顶的拟合线斜率变化随MLT呈多峰结构。因此在建立等离子体层顶和上游太阳风参数关系的模型时,必须考虑MLT的影响。
  本文研究工作为后续建立等离子体层顶模型和了解等离子体层顶的动态结构提供了重要基础,并为等离子体层空间天气预报提供了重要依据。
[硕士论文] 马新
空间天气学 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:太阳风-磁层耦合过程是日地空间物理的重要研究内容之一。弓激波和磁层顶则是太阳风-磁层耦合过程中十分重要的两个界面。来自太阳的太阳风等离子体穿越弓激波后各项参数会发生显著变化,而磁层顶作为地球磁层的外边界把太阳风与地球磁层分隔开。上游太阳风条件的变化会导致磁层位型变化,从而对地球磁场内部产生影响。
  本硕士论文利用卫星观测数据,研究了上游太阳风各参数对弓激波位型的影响,在此基础上,构建了一个包含偶极倾角参数的三维不对称弓激波新模型;并利用1998年6月5日太阳风事件的全球磁流体力学(MHD)模型模拟结果,研究了磁层顶压力平衡情况。本论文主要研究内容为:
  1)采用多颗卫星的弓激波穿越事件数据,分析了行星际磁场Z分量,太阳风动压,磁声波马赫数,等离子体β值以及地球偶极倾角对弓激波位型参数的影响。构建了包含以上5个影响因子的全球三维不对称弓激波模型。该模型与已有的两个代表性弓激波模型进行了对比,验证了新模型的可靠性。以往的模型大多是对称模型,都不包含偶极倾角的影响,而新模型不仅能描述弓激波旋转不对称和南北半球不对称,还能反映弓激波位型随偶极倾角变化的情况。我们发现,北半球弓激波尾部张角随偶极倾角正向增大而增大,随偶极倾角负向增大几乎不变;且偶极倾角为正时,北半球弓激波旋转不对称性大于南半球。南半球弓激波尾部张角和旋转不对称性变化情况则相反。
  2)利用MHD模型对1998年6月5日的太阳风事件的数值模拟结果,研究了不同行星际磁场(IMF)条件下日地连线上动压、热压和磁压的压力平衡情况以及三者之间的转换关系。日地连线上,磁层顶附近热压在南向IMF下占主导,磁压在北向IMF下占主导。由于南向IMF条件下磁层顶日下点附近易发生磁场重联,从而引起紧靠磁层顶内侧磁压减小。而这一因素在南向IMF下磁层顶向地球方向移动中起了重要作用。紧靠磁层顶外侧热压增加的因素也对其有一定作用,特别是在较小的IMF条件下。
[硕士论文] 商文赛
空间天气学 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:磁尾等离子体片中高速流的刹车过程和与高速流产生机制相关的动力学过程对于磁层内粒子的加速、亚暴电流楔的形成、磁场的堆积和磁通量的输运以及磁尾电流系统的形成都具有重要意义。磁层顶的位型是太阳风-磁层耦合系统中一个非常重要的参数。本论文围绕着磁尾高速流的减速区、远磁尾磁层顶对极端行星际和太阳风条件的响应以及低纬边界层的高能离子的产生机制进行探索和研究,获得了一些新的成果和解释。主要内容和成果如下:
  本文首先利用THEMIS计划的2颗卫星(THA和THE)在空间中经常具有相近的X_gsm和Y_gsm坐标,但在Z方向上相差较远这一特殊位型对地向高速流的空间结构和时间演化过程展开研究,并基于匀减速模型与突然减速模型假设,分析出高速流在近磁尾地向传播减速/刹车过程的特征。通过对THA和THE卫星联合观测的高速流进行统计分析,发现在距离中性片较远的卫星先观测到高速流,且卫星所探测到高速流X分量的速度最大值要比在等离子片中心探测到的高速流数值更大。分别利用匀减速模型与突然减速模型进行统计分析,发现高速流减速起始的位置大部分位于距离近磁尾X=-15 RE的区域,这与中磁尾重联发生区域比较接近。
  然后,利用位于远磁尾午夜区域的ARTEMIS卫星和位于近磁尾晨侧区域的THEMIS卫星探讨了一下磁层对于2012年3月8日倾斜的行星际激波的响应。我们发现在激波过后,P1和P2卫星均观测到高密度高速且持续稳定的磁鞘流。磁流体力学模拟的结果和ARTMIES卫星观测结果一致。我们还在磁流体力学模拟中改变激波的法向使行星际激波正面冲击磁层,结果显示远磁尾的磁层顶仍发生大幅度的偏转,这说明由于激波下游昏向太阳风速度的变化导致了远磁尾的大幅度偏转和摆动。P1和P2卫星观测结果和磁流体力学模拟结果显示在本次事件中远磁尾的摆动时间尺度大约在15分钟左右,之后磁层就趋于稳定。这一结果为进一步建立包含太阳风VY效应的磁层顶模型提供了有力的观测证据,尤其是远磁尾磁层顶对极端行星际和太阳风条件的响应。此外,我们发现位于远磁尾的低纬边界层中存在着高能离子和低能离子的混合,这些高能离子一部分是由于行星际磁场和北半球高纬尾瓣磁鞘发生磁场重联而产生的,另一部分是由于晨昏两侧的开尔文-亥姆霍兹不稳定性产生的涡旋致使磁鞘中的成分卷入到磁层顶内侧并向磁尾传播被P1卫星观测到。
[硕士论文] 仁艳秋
电子与通信工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:在磁暴期间,等离子体层外部的冷等离子体随磁层对流驱动而剥离,逐渐向向阳面磁层运动,形成等离子体层羽状结构(Plume)。羽状结构的形成和演化对地球电离层造成直接影响,常形成大尺度不均匀体贯穿电离层低纬至高纬众多区域,对人类的通信、导航、航天器等产生了很大影响。本文利用全球分布的GPS地面接收机获取的电离层总电子含量(Total Electron Content, TEC)数据实现了对磁层等离子体的空间和时间演化进行长时间连续的观测和统计分析。为开展上述观测和统计分析工作,本文首先从全球分布的GPS TEC数据中取出北半球磁正午(MLT=12)从地磁纬度20到90范围的连续观测数据,并将该数据沿地球磁场T96模型计算的磁力线投影到磁赤道面,进而获取以时间为横轴、以地心距离为纵轴和以颜色代表等离子体密度的二维时序伪彩图。该伪彩图及相应的数据,便可用于研究磁层等离子体的相应特征。
  本研究主要内容包括:⑴分别选取有磁暴和非磁暴的一天投影数据开展深入分析,并通过磁层RBSP卫星和 Cluster卫星的实地协同观测,证实了本文所提出的投影方法是有效和可靠的。结果表明:在磁暴期间,GPS TEC数据展示了电离层出现了明显的暴时密度增强结构(Storm Enhanced Density,SED),该结构从北美洲中纬逐渐向高纬演化。因而,这里的投影数据中也出现了明显高密度等离子体羽状结构从等离子体层剥离后向阳运动逐渐抵达日侧磁层顶附近。在非磁暴期间,磁层中也出现了密度增强结构,但相对磁暴期间分布较为均匀,这种分布可能与等离子体层风(plasmaspheric wind)或热等离子体斗篷(warm plasma cloak)现象有关。⑵利用上述方法获取的长时间连续的GPS TEC投影数据,统计分析了等离子体层羽状结构出现的月变化、年变化以及气候学特征。统计结果表明,等离子体层羽状结构的出现具有明显的月变化、季节变化和年变化特征。一般均出现在下午到傍晚时分,在磁暴初始相期间最为明显。而一年中3-5月和10-12月这种结构最为明显,且密度较大,同时,该结构主要出现在太阳活动高年,且密度随着太阳活动的增强而增大。在此基础上,进一步分析了羽状结构的出现与太阳风参数及太阳风-磁层能量耦合函数之间的关系,结果发现羽状结构的密度变化随着Kan-Lee电场、ε参数、太阳风动压、AE指数的增加以及行星际磁场Bz分量的减小而增大。
[硕士论文] 唐影
空间天气学 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:电磁离子回旋(EMIC)波是地球磁层的自然等离子体辐射,能快速地引起辐射带电子投掷角散射损失,因而在磁层中扮演非常重要的角色。重离子在很大程度上影响EMIC波特性和激发,但是关于重离子对EMIC波的作用仍缺乏一个完整的认识。
  本论文较为详细地研究了地球空间H+-He+-O+等离子体中EMIC波的特性和激发,特别关注He+和O+重离子对EMIC波特性的影响。首先,基于多流体理论,给出了四成分冷等离子体中波的色散和偏振的完整解析表达式,在此基础上分析了不同传播角下EMIC波的特征。其次,通过热多流体模型给出了平行EMIC波色散关系和特征频率的解析表达式,再结合等离子体动理论,分析了热压对平行EMIC波特性和激发的影响。最后,基于热多流体模型,研究了H+、He+和O+带中斜EMIC波的特征。
  本论文主要结果有:
  (1)在冷H+-He+-O+等离子体中,He+和O+离子使得EMIC波的色散呈现多频带结构,出现两个左旋波不能传播的禁带,在两个交叉频率附近,波的偏振极性发生反转,线偏振的波数范围随着传播角增大。
  (2)在冷H+-He+-O-等离子体中,色散结构出现两个禁带,但只出现一个交叉频率,且右旋波的禁带位于He+带截止频率和O-带共振频率间,左旋波的禁带位于H+带截止频率和He+带共振频率之间。
  (3)各向异性的热重离子会完全抑制He+带EMIC波的增长。对于H+带波来说,无论重离子是热还是冷,波都增长。当O+离子浓度较大时,各向异性热质子和重离子的出现会使O+带波强增长。
  (4)重离子各向异性热压会导致EMIC波的共振频率比冷流体理论结果大,使禁带变窄。离子各向异性热压导致与EMIC波相互作用的电子最小共振能量出现在冷流体理论预测更高的频率处。
[硕士论文] 金德君
数学与应用数学 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:电离层作为日地空间环境重要组成部分,其参数变化对很多无线电系统具有重要影响.为了更好地利用电离层,为相关应用服务,开展电离层参数的预报研究是十分必要的.本文基于中国及周边地区观测的电离层TEC的短期预报研究,主要工作如下:
  1.改进现有的线性预报方法——自相关分析法,考虑电离层TEC及其变化量作为预报参数,采用迭代的方法(称为间接预报,分等间隔和非等间隔两种方式)对原方法(称为直接预报)进行改进.在有效提高预报精度的前提下,结合克里格插值法,从而完成对原有的适用于中国地区的电离层TEC预报方法的改进.结果表明:间接预报方法在提前1小时预报电离层TEC时,单站预报误差为1TECu,较原有的直接预报误差2.3TECu,降低了1.3TECu;区域重构后,重构预报误差为1.8TECu,较原方案降低了0.2TECu;整体预报误差为1.8TECu,较原有结果2.7TECu,降低0.9TECu.单站预报精度的提高有利于整体预报精度的改善.
  2.引入距离相关系数,开展电离层TEC的非线性预报.现有方法仅通过实验方式确定预报因子的重要性,而本文基于距离相关系数(DC)方法,对影响电离层TEC非线性预报精度的预报因子进行了变量重要性的排序研究,从中选取相对重要的10个预报因子,再分别与支持向量机(SVM)和神经网络(BP)结合,建立DC-SVM和DC-BP非线性预报模型.结果表明:引入DC之后的DC-SVM和DC-BP模型,较原SVM和BP预报方法的精度要高,且提高了0.4个百分点.
[硕士论文] 王晨煜
空间物理学 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:地球电子外辐射带的变化非常剧烈和复杂,尤其是地磁暴期间。外辐射带中的高能粒子可能会对卫星的正常运行造成严重危害,同时,辐射带也是太阳活动与全球气候变化的一个重要纽带,所以针对辐射带电子动态变化的研究一直是空间物理领域的一个热门方向。本论文关注辐射带电子动力学过程的三维模型的构建,并将其运用于一个具体事件,定量分析了各类物理机制在这一事件中的相对作用。
  使用最新发表的layer method方法,我们将其推广到三维,并开发了一个三维的扩散程序以模拟辐射带电子动力学过程。这一程序可以保证即使在混合扩散项存在的情况下求解结果依然不会出现负值。与大多数已经开发出的程序不同,我们的三维程序可以直接在赤道投掷角(α0)、动量(p)、磁壳数(L shell)上进行求解,而不需要在(α0,p)坐标系和绝热不变量坐标系之间进行来回插值转换。直接使用(α0,p,L)坐标系也可以方便模拟结果与卫星数据的比较。我们使用不同的数值测试验证了程序的正确性。我们将三维layer method程序用于模拟2013年3月17号地磁暴事件中的电子通量快速增长现象,这也是一个GEM Focus Group列出的挑战事件。在模拟中,我们使用了一个基于本次事件的全球合声波模型,一个与地磁AL指数相关的等离子体层嘶声波的最新统计模型,以及一个新发表的基于Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms (THEMIS)卫星统计数据的径向扩散模型。我们的模拟结果与卫星观测数据有很好的一致性,表明这一事件中辐射带电子通量的快速增强源自于由径向扩散导致的种子电子通量的增强以及之后的合声波的加速作用。我们的模拟结果证明,layer method可以用于进行辐射带全球动态变化的三维模拟。
[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。
[硕士论文] 王官志鹏
空间物理学 山东大学 2017(学位年度)
摘要:太阳风是来自太阳的等离子体流,是影响近地空间环境的重要媒介之一。自1962年宇宙飞船“水手2号”发现太阳风之后,太阳风的来源、初始太阳风的加热和加速机制总是被太阳物理和空间科学领域所讨论。通常将太阳风分为高低速两类,但是并不能单单凭借速度来描述太阳风。在宁静区、活动区和冕洞区等存在的大尺度日冕结构,他们的等离子体的性质和磁场的位型有着明显的区别,而上述差异对不同来源的太阳风会产生何种影响是值得研究的问题。本文主要致力于把近地获得的太阳风特性与其源区类型结合起来,研究其特性的源区依赖及其随其活动的演化特征。该工作可以为不同的太阳风模型提供检验和约束,增进对太阳风来源及初始太阳风的加热和加速机制这一重要问题的理解。
  我们使用标准的“两步法”(Neugebauer et al.1998,2002),借助于PFSS(PotentialField Source Surface)磁场模型将局地探测的太阳风回溯到太阳表面。然后结合太阳极紫外图像和光球磁场观测数据将足点所处区域分为冕洞区、活动区和宁静区三类(用ch、ar、qs表示)(Fu et al.2015),由此将太阳风划为冕洞风、活动风和宁静风。在上述工作的基础上,本文主要在两个方面开展工作,一是分源区对第22/23和23/24两个太阳活动极小期近地太阳风的性质进行了对比;二是分三个阶段对第23太阳活动周太阳风性质与源区类型的之间的联系进行了研究。
  已有的研究表明第23/24太阳活动极小期是一个特殊的极小期,此时太阳黑子数目和极区磁通量均明显小于最近的几个极小期(Giuliana et al.2009)。Ulysses卫星的观测表明,第23/24极小期高纬度太阳风性质与22/23极小期存在显著的差异,第22/23太阳活动极小期高纬度太阳风速度、密度、动压均显著的大于第23/24太阳活动周的极小期。我们分源区对黄道面太阳风的研究发现,两个极小期参数的对比与极区存在差异。第23/24极小期冕洞区、宁静区和活动区的太阳风速度均显著大于第22/23极小期,在23/24太阳活动极小期三类太阳风平均速度分别为524±109 km/s、427±112km/s和459±110 km/s,而在22/23太阳活动极小期期分别为393±66km/s、366±62km/s和378±47km/s。第23/24极小期近地太阳风密度显著的小于第22/23极小期,第23/24极小期三类太阳风中平均密度分别为5.0±4.3cm-3、2.7±3.2cm-3和3.5±2.7cm-3,而22/23极小期为10.3±6.3cm-3、10.3±5.8cm-3和7.7±3.6cm-3。两个极小期太阳风中平均磁场相近,冕洞太阳风平均磁场强度最高,较活动区和宁静区太阳风高10%-20%。尤其值得注意的是,两个阶段其来源存在极大的差异,在第22/23太阳活动极小期近地太阳风大部分冕洞区,来自三大区域(ch、ar、qs)太阳风的比例分别是50.3%,13.2和36.5%。而在第23/24活动极小期近地风大部分来源于宁静区,其比例达到69.5%,此时来自其它两大区域(ch、ar)的近地风比例分别是15.9%和14.6%。上述结果表明三类源区的近地太阳风性质在第22/23和23/24太阳活动极小期均存在显著的差异。在第22活动周的极小期有一半以上近地风来自冕洞区域,而第23活动周来自宁静区的风占很大比重(69.5%)。我们认为这与第23太阳活动周太阳表面磁场整体较弱,导致太阳大尺度磁场位型在两个太阳活动极小期存在显著的差异有关。
  通过分析第23太阳活动周太阳风性质与源区类型的关系,我们发现不同源区太阳风速度、07+/06+和Fe/0的分布存在显著的差异,但是它们分布的区间有有很大一部分是重合的,所以如果仅凭近地太阳风中速度、07+/06+和Fe/0等参数是无法对太阳风进行很好的判别。冕洞风的风速有着双峰分布的现象,其中高速风的峰值和低速风的峰值分别为600km/s和400km/s左右,而这两部分风即高速风和低速风可能来自冕洞的边缘和中心区域。三类太阳风中,其速度和07+/06+都存在反比关系。Fe/0一般反映低第一电离势的效应,而它的分布一般有四个特征:冕洞风Fe/0的均值明显比活动区风小;随着风速的增加,Fe/0的分布范围和平均值会随之减小;活动区风中Fe/0的分布范围(0.06-0.40,对应的FIP bias为1-7)较冕洞区(0.06-0.20,对应的FIP bias为1-3)大;在这些太阳风中它们的Fe/0的最小是基本都是0.06,FIP bias大约为1,太阳风速度变化时,并不随之改变。以上统计结果可以发现,不同源区初始太阳风加速加热机制十分相似,而不同源区太阳风性质存在差异可能主要由于不同源区磁场强度和磁场位型存在不同。
[博士论文] 王焕宇
空间物理 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:磁重联是空间等离子体中的重要物理过程。储存在磁场中的自由能通过重联过程快速释放,从而加速和加热等离子体。本文重在讨论引导场重联中的电子加速过程,利用2D全粒子计算机模拟方法(PIC)与3D磁层顶混合模拟方法,得到以下结果:
  1.电子在多X点引导场重联中的加速过程
  磁岛之间的相互作用一直以来被认为在电子加速的过程中占据着重要地位。本文讨论了引导场重联中电子的加速过程。由于在足够强的引导重联中,电子依然是磁化的,可以使用绝热理论分析电子在重联中的平行电场加速,费米加速与betatron加速。结果显示随着重联的进行,模拟区域形成两个主磁岛。电子既可以在重联X点附近被平行电场加速也可以在磁岛的收缩端被费米机制加速。接下来两个磁岛合并成一个大磁岛,电子可以在合并点附近被平行电场加速。在磁通量堆积区前缘,betatron机制也可以加速电子。最后当两个主磁岛合并成一个单一的大磁岛以后,电子可以进一步在收缩的大磁岛的两个收缩端获得费米加速。随着引导场的增强,费米与betatron机制对电子的加速越来越不重要。当引导场很强时,平行电场是唯一对电子有效的加速机制。
  2.电子扩散区中电子的压力梯度项的形成过程
  通过2D的PIC模拟方法得出反平行重联电子扩散区中重联电场主要由电子的压力张量的空间梯度来平衡。通过追踪典型电子的轨迹可以计算电子在重联X点附近的电子压力梯度。计算结果发现电子的压力梯度正好与重联电场相等。这说明在电子扩散区,电子在重联X点附近磁场反转区域的微观运动是平衡重联电场的原因。这样就从微物理的角度定量地而不仅仅是从图像上解释了电子压力梯度的形成机制及其能够平衡重联电场的原因。
  3.电子在次级磁岛中的加速过程
  在重联拉长的电子电流片中可能会产生次级磁岛。通过对引导场重联中产生的次级磁岛中电子加速过程的模拟发现,在磁岛的形成阶段,电子可以被重联X点附近的平行电场加速;在次级磁岛与主磁岛的合并阶段,电子同时可以被平行电场机制与费米机制加速。与主磁岛不同的是,次级磁岛核心区的功率密度高于边缘区,这导致高能电子聚集在次级磁岛的核心区,而不像主磁岛中的高能电子分布在磁岛的边缘。随着引导场的增加,费米与betatron机制对于电子加速越来越不重要。
  4.磁层顶重联区域中的动力学Alfvén波
  Alfvén波是磁重联中的重要组成部分。考虑了离子的动力学效应的动力学Alfvén波中,在时变电场的作用下离子的极化漂移引起了在离子回旋尺度离子与电子的电荷分离,并导致出现几乎沿着磁场分布的条状平行电流。通过使用3D日侧磁层的混合模拟,对磁层顶重联过程中的扰动磁场与扰动电场的分析发现满足Walén关系,并且在扰动磁场的分布区域伴随有平行电场。通过对平行电场与垂直电场的诊断发现满足动力学Alfvén波的极化关系。亦即在磁层顶重联区域存在动力学Alfvén波。动力学Alfvén波可以携带平行能流沿着背景磁场方向注入地球磁层,关系到地球磁层中的粒子加热以及极光的产生。
[硕士论文] 曹鑫鑫
空间天气学 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:缓变型太阳高能粒子(SEP)事件中能量粒子在近太阳附近的加速及释放过程研究是深入理解太阳高能粒子事件与日冕物质抛射(CME)爆发因果关联的关键问题之一。本文利用SOHO、STEREO高能粒子观测对2012年3月7日爆发的全球性SEP事件的起始释放过程进行了详细分析;并对2011-2014年间30个通量短时间内显著增强的缓变型SEP事件的两个特征时间(局地爆发时间onset time tob,起始释放时间release time tsr)及其经向分布进行了统计分析。论文主要结果如下:
  一、在2012年3月7日大SEP事件爆发期间有两个CME相继出现,通过多角度的局地观测表明,该SEP事件只与第一个CME相关,而与第二个CME无明显关联。对磁连接最好的卫星STEREO-B,运用速度离散分析(VDA)方法,发现高能质子和低能电子在同一时刻释放,但是到达STEREO-B卫星的质子和电子的传播路径长度却不同。分析结果表明VDA方法适用于磁连接较好的卫星。此外,行星际磁云结构会影响高能质子和高能电子的传播路径及其差异。
  二、对SEP事件的起始释放时间和局地爆发时间的统计结果表明:(1)多颗卫星同时观测到的SEP事件所伴随的爆发CME角宽明显较一般事件要大,基本都为Halo CME;(2)不同卫星观测到粒子通量局地增强的时间差与卫星位置经度差呈现明显的线性正相关,且呈现东西不对称性;局地爆发时间和起始释放时间相对于耀斑时间的延迟与卫星相对经度呈正相关;(3)卫星所有能量通道的两个特征时间极差(tslow-tfast)与卫星相对经度呈现较好的正相关,表明不同能量SEP释放的时间跨度呈现明显的经度差异;此外,高低能释放时间差与CME速度存在正相关。这些结论表明,SEP事件的两个特征时间具有明显的经向依赖性,并都与CME速度存在相关。
[博士论文] 高中磊
空间物理 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:地球辐射带是内磁层中能量>100 keV高能带电粒子聚集成的等离子体区域。辐射带电子的演化非常复杂以及剧烈,并且可以对星载系统和航天员造成严重危害。以往的工作认为辐射带电子的演化是多种加速、损失和输运过程协作竞争的结果。哨声波与辐射带电子的回旋共振便是重要的加速和损失机制之一。基于范艾伦探测器的观测数据,本论文着重分析了一些非典型哨声波的演化以及作用。
  第一章介绍了辐射带的动态演化过程,概述了波粒相互作用的贡献,并提出了论文的核心研究内容。
  第二章介绍了范艾伦探测器的主要观测数据和分析方法,列举了一些常见等离子波动的分析结果。
  第三章关注于高强度的低频合声波。合声波通常被认为分布在0.1到0.8fce,范艾伦探测器数据显示强合声波能够发生在0.1fce以下。这些低频合声波平行于磁力线传播,并且多数时间表现成类嘶声的特性。低频合声波可以导致种子电子(~0.1 MeV)的快速沉降损失,这和典型合声波的作用明显不同。对于相对论电子(≥0.5 MeV),低频合声波产生的动量扩散作用与典型合声波相当,而其在损失锥处产生的投掷角扩散作用则更强。这些研究结果表明低频合声波在辐射带演化中扮演了一个非常不同的角色,需要在辐射带物理模型中加以考虑。
  第四章关注于长时间持续的振荡调合声波。合声波通常表现为一个类嘶声带或一系列短时(最高约为1s)的分立结构。范艾伦探测器的数据显示,合声波可以表现为长时间持续的振荡调(长达25 s)。数据分析表明振荡调是一个自然现象而非人工信号。其可能的物理机制是:
  (1)类嘶声带触发的非线性过程;
  (2)电磁波源区的调制。如此长时间持续的振荡调合声波具体的产生和演化过程还需要在将来的工作中进一步地研究。
  第五章关注于等离子体层外嘶声波的放大过程。外嘶声波通常被认为是由等离子体层内的嘶声波泄漏出等离子体层顶而形成的,并且可作为等离子体层顶外辐射带电子损失的潜在重要机制。实际上,人们对泄漏之后外嘶声的演化过程还没有完全的了解。观测和模拟表明亚暴注入的100 keV左右的热电子的可以有效地放大外嘶声波。这些研究结果揭示了外嘶声波演化的一个重要过程—局地放大。
  第六章总结了本论文得到的核心成果,并展望了关于这些非典型哨声波在将来需要继续推进的工作。
[博士论文] 钟嘉豪
空间物理 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:地球电离层是连接外层空间和近地大气的重要部分,对无线电通信、导航和人类空间活动等影响显著,因此对电离层的研究具有重要意义。由于顶部电离层的观测数据相对较少,使得顶部电离层的变化特性及其主导物理机制一直没有被研究清楚。近年来低轨卫星迅速发展,搭载双频全球卫星导航系统(GNSS)接收机的低轨卫星已成为顶部电离层的重要探测手段之一,为探究顶部电离层的变化特性提供了极好的机会。本文围绕低轨卫星GNSS接收机观测得到的顶部电离层电子浓度总含量(TEC)展开研究,对数据处理过程中斜向与垂直TEC转换、GPS卫星和低轨卫星接收机硬件偏差的估算方法和变化趋势、顶部电离层的经度变化特性以及暴时响应特征等问题进行了分析研究。本论文的主要工作如下:
  一、发展低轨卫星TEC数据处理的新方法
  (1)实现斜向与垂直TEC间的高精度转换
  GNSS卫星与接收机之间信号路径上的TEC是斜向的,需利用映射函数转换为垂直TEC。其中,电离层等效高度是映射函数中的重要参数。由于低轨卫星轨道高度一般高于电离层峰值高度,常用的地基观测TEC映射函数是否适用于低轨卫星的数据处理尚不清楚。本文分析了常用的薄层映射函数模型和具有一定厚度的F&K映射函数模型,以及两种等效高度计算方法(质心法和积分中值法)。研究结果表明,等效高度随着低轨卫星轨道高度线性增加,质心法的等效高度要比积分中值法的要高,且等效高度与太阳活动强度呈负相关。从CHAMP卫星观测数据提取的等效高度与模式计算的等效高度的变化趋势一致。在垂直TEC转换方法组合的误差分析中,发现F&K模型和质心法等效高度更适合用于低轨卫星,而薄层模型和积分中值法则适合用于地基接收机。
  (2)提高硬件偏差估算的精度和可靠性
  GNSS卫星和接收机的硬件偏差(DCB)是TEC获取过程中的重要误差源之一。由于低轨卫星TEC比地基观测TEC要少,且低轨卫星处于快速运动的状态中,需要更准确地估算低轨卫星DCB才能获取高精确度的TEC。利用低轨卫星在夜间或经过高纬度时TEC很小甚至接近于零的假设,以及充分考虑低轨卫星的轨道周期特性,本文提出一种改进的零值估算法。该方法首先获取一天内所有轨道周期的最小观测TEC中的下四分值,再进一步修正补偿该值作为DCB结果。结果表明改进零值法比一般零值法更加稳定和可靠。本文同时详细讨论了在最小二乘法中,设定不同垂直TEC和仰角限制对DCB估算的影响。理论上,较高的截止仰角和较小的最大垂直TEC限制应该可以更加符合区域电离层球对称假设。但分析表明,由于低轨卫星观测数据的总数量有限,选取最大垂直TEC为3 TECU以及截止仰角为10度时,可以得到较为稳定的低轨卫星DCB结果。当低轨卫星数据质量不高时,可选用最小二乘法来估算低轨卫星DCB,而改进零值法一般也能给出较为稳定的DCB结果。
  (3)阐明硬件偏差长期变化趋势的新结果
  GPS卫星DCB在2002至2013年期间显示出与太阳F10.7指数相似的长期变化趋势。过去研究认为GPS卫星DCB的长期变化趋势与电离层的变化有关。本文利用低轨卫星的观测数据直接获取GPS卫星DCB,并与国际GNSS服务组织(IGS)提供的利用地基观测数据得到的GPS卫星DCB进行比较,发现两者的长期变化趋势是一致的。由于较高的轨道高度使得低轨卫星观测数据受到电离层变化的影响应较少,所以GPS卫星DCB的长期变化趋势不是由电离层受到太阳活动周期的变化引起的。进一步分析发现,在所有GPS卫星DCB均值为零的约束条件下,GPS卫星不断更新,新一代型号的GPS卫星的DCB值与旧一代的不同,不同型号GPS卫星的更替的长期累积造成了GPS卫星DCB的长期变化趋势。另外,以CHAMP卫星为例探讨了低轨卫星DCB的变化,初步结果表明CHAMP卫星DCB的长期变化趋势与GPS卫星的更替有关,而周期性的变化与接收机硬件热状态有关。
  二、顶部电离层变化特性的新发现
  (1)揭示顶部电离层的经度变化特性
  通过利用两颗低轨卫星从2008至2015年的TEC数据系统分析了顶部电离层在不同高度、纬度、地方时、季节和太阳活动程度下的经度变化特性。研究结果发现顶部电离层和等离子体层在低纬度有着显著的经度变化。在6月至点期间,在中西太平洋出现TEC极大值,在南美洲和大西洋出现TEC极小值。在12月至点期间,TEC极值出现与6月至点相反的经度分布,此时TEC极大值出现在南美洲,而太平洋区域的TEC值相对较小。在至点期间,磁赤道区域的TEC相对于纬向平均的经度变化并没有明显的地方时和太阳活动依赖性。冬季半球的TEC随着太阳活动程度的增强却出现减小,特别是在较高高度以及在夜间,且具有经度依赖性。低轨卫星TEC的经度结构与所在轨道高度附近以及电离层F2区电子浓度的经度结构基本上是不同的。结果表明顶部电离层的经度结构应是受到在顶部的重要物理过程的影响,而不只是反映在较低高度或在电离层F2区附近电子浓度的结构。
  (2)首次发现磁暴恢复相期间顶部电离层的长时间负相响应
  通过利用多个低轨卫星的TEC数据研究了2015年3月17日强磁暴主相和恢复相期间顶部电离层的响应变化特性。结果首次发现在磁暴恢复期间,中低纬度的顶部电离层TEC在除太平洋区域外大部分经度上都出现持续时间超过3天的负相响应。由于在顶部电离层高度以上,磁力线是向下连接于较高纬度的电离层F2区的,等离子体沿着磁力线的扩散作用与较高纬度上长时间低O/N2水平或是造成顶部电离层长时间负相响应的主要原因。结果同时表明顶部电离层暴时响应具有地方时、高度和经度依赖性。在高度依赖性方面,MetOp-A卫星(832公里)得到的顶部电离层TEC与其它较低高度低轨卫星的观测结果存在一定的差异,特别是在磁暴主相期间以及在磁暴恢复相初期。MetOp-A与其它低轨卫星的TEC差异应主要是由于在较高高度上,沿着磁力线的等离子体扩散作用比电离层的抬升以及热层中性成分的变化更重要。
  本文的研究工作有利于提高低轨卫星顶部电离层TEC数据的准确度和可靠性,加深对顶部电离层变化特性及暴时响应特征等方面的认识。总之,使用低轨卫星TEC研究顶部电离层的变化特性及其主导物理机制,对加深认识电离层/热层与顶部电离层之间的耦合过程、揭示不同高度区域之间的能量和物质交换关系、加强对电离层F2区现象未知机制的物理解释、改进现有模式的不足、提高空间天气领域预报能力等有着重要理论意义和应用价值。
[硕士论文] 周圣国
电子与通信工程 电子科技大学 2016(学位年度)
摘要:极区夏季中层顶的尘埃等离子体有明显的分层现象,且回波强度与电子温度和观测雷达频率密切相关。本论文中,初步分析了极区夏季中层进行主动调制实验中产生的回波现象,利用电磁波在分层极区中层尘埃等离子体中传输理论研究了电磁波在不同电子温度情况下的传输特性。利用非相干散射雷达探测极区中层夏季回波加热时的回波结果,以及结合探空数据ECT02开展的数值计算结果,得到极区中层夏季回波也存在明显的分层现象。结果表明,理论模拟结论与实验观测结果比较吻合,尘埃等离子体层随温度的不断升高雷达观测频率的增加对电磁波的反射有明显减小趋势,但当电子温度达到一定数值时,对电磁波的反射反而有增大的趋势。本文的主要内容如下:
  1.首先对PMSE现象及其变化规律进行了简单性的介绍。从观测现象来看,极区中层顶区域存在大量的尘埃粒子,其和其他的粒子成分构成了尘埃等离子体。然后我们对其中的特征参量做了相应的介绍和给出了计算公式。对ECT-02实验观测到数据进行了统计分析,极区中层区域的组成成分的结构有明显的分层现象。根据所观测到的结构,我们介绍了相关的分层介质模型。
  2.结合ECT-02实验观测到的数据,对电磁波在尘埃等离子体介质中的传输理论做了初步的分析。我们研究了在PMSE发生的情况下,基本参量随高度变化的基本规律,得到了德拜半径和等离子体频率随高度变化的剖面图,它们的分布也存在分层结构。计算了其随频率变化时的介电系数和电导率,然后分析了其随频率变化的特性,得出反射系数随频率变化的规律。
  3.对极区中层的主动调制实验进行了统计分析,初步分析了极区夏季中层进行主动调制加热实验中产生的回波现象。得到极区中层夏季回波也存在明显的分层现象。利用电磁波在分层极区中层尘埃等离子体中传输理论建立了不同频率的电磁波在不同电子温度情况下传输的理论模型,然后,利用非相干散射雷达探测极区中层夏季回波加热时的回波结果,以及结合探空数据ECT-02开展的数值计算结果,并通过仿真对尘埃等离子体的回波现象随温度和频率的变化进行了初步数值仿真研究。
[硕士论文] 肖超
空间天气学 南京信息工程大学 2016(学位年度)
摘要:磁力线几何结构在磁层动力学上扮演着重要角色,为了研究磁力线结构研究人员提出了一些相关的研究方法,近年来陆续发射的多点卫星项目为这些方法提供了数据支撑。磁尾中性片以及极尖区是磁层中较为活跃的区域,研究它们的磁场结构有助于更深层次的了解磁层的动力演变过程。本文基于Cluster卫星多点测量数据以及和相关的磁场益率分析方法,对磁尾中性片以及南极尖区的磁场结构进行研究。相关研究结果如下:
  1.通过对大量NS穿越事件进行统计分析,在GSM坐标系下构建了一个YZ平面上仅以位置参量Y为未知量的NS三维位形经验模型,该经验模型具体表示为:中性片的位置参量Z与Y的拟合关系是三次函数;磁场值B和Y是二次拟合函数关系;曲率半径Rc和Y呈现二次函数拟合关系,并且发现扁平电流片的曲率半径小于正常电流片的曲率半径;曲率方位角φc和曲率副法线方位角φN都与Y呈现很好的线性拟合关系,并且φN与φc的差值约为90°;曲率极向角θc与Y之间是正弦函数拟合关系;曲率副法线极向角θN与Y可以用二次函数关系表示,根据观测数据发现在午夜区域θN具有不确定性,而在晨昏两侧趋近于90°。最后还统计分析了NS处的电流密度在不同坐标系下的分布情况。
  2.本文挑选了2003年7月-10月Cluster穿越南极尖区的44个事件,利用多点探测方法对南极尖区进行相关研究。研究显示,极尖区内部的部分参量(包括曲率半径、曲率方向、曲率副法线方向、电流密度以及磁场梯度等)较其两侧有明显的抖动;南极尖区的位置整体位于日侧呈扁平状且晨侧更向日侧倾斜,其边界磁场的各个要素在日夜两侧都有一定的差别;极尖区内部的磁场分量Bx在方位角70°~150°之间较大,磁场分量By、磁场值Bt以及的磁力线的方向角大小都是随着方位角变大而增大,磁场分量Bz大小随着方位角变大而减小,而磁力线的极向角基本是约为143.4°的常值,磁场梯度、曲率半径以及电流密度的相关要素在极尖区内部比较复杂;磁暴时极尖区边界磁场各分量以及位置参量X都显著增大,但位置参量Z和极尖区宽度显著减小,极尖区内部电流密度、电子数密度、磁场梯度的均值和标准差均变得较大,而曲率半径的均值和标准差均变得较小,等离子体幔的磁场值磁暴过后恢复较快,而其的宽度、电子温度、电子数密度以及电流密度磁暴过后恢复有延迟。
[硕士论文] 彭宇翔
空间天气学 南京信息工程大学 2016(学位年度)
摘要:地磁场近似于一个偶极场,它向太空伸出数万公里形成地球的保护层,使地球免受太阳风以及各种宇宙射线的直接影响。当太阳表面活动旺盛,特别是在太阳黑子极大期时,耀斑爆发的次数明显增加,太阳爆发活动引起的CME和太阳风一起冲击地球,使地磁场在短时间内发生剧烈变化。磁暴期间,地磁场的剧烈变化会影响地质勘探、导航及航空航天等人类活动,还会导致空间电场变化,产生异常电压。这种电压在长距离输电管网上可达上万伏特,电力系统及石油管道等都会受到极大影响。由于磁暴对人类生产生活及空间活动可能产生巨大危害,与磁暴相关的预警、预报技术的发展与研究就显得越来越重要。
  本文在充分调研磁暴Dst指数预报技术特别是现代统计方法在空间天气预报应用的基础上,把在其它空间天气指数预报中应用的支持向量机技术(SupportVector Machine,SVM)引入到Dst指数预报中。本文收集了1995年至2014年发生的80次大磁暴事件(Dst≤-100 nT),共2662组观测数据作为研究对象,以对应时间的太阳风参数作为模型输入参数,利用支持向量机对大磁暴期间Dst指数变化进行了预报研究,建立了神经网络模型(Neural Network,NN)和线性机模型(Linear Machine)作为对比,并利用交叉验证提高预报结果的可靠性。为克服以前模型输入参数选择的任意性(主要依据经验),我们引入远程相关性学习(Distance Correlation,DC)对太阳风参数进行特征筛选、优化模型的输入参数,提高了模型的预报性能。为了比较不同模型的预报效果,本文选用相关系数、均方根误差、磁暴期间Dst指数最小值预报结果的平均绝对误差以及Dst指数最小值出现时间预报结果的平均绝对误差等统计量作为对比参数比较了所建立的SVM模型、DC-SVM模型、NN模型、DC-NN模型、Linear模型以及DC-Linear模型的预报效果并计算了误差分布情况,结果显示DC-SVM模型能够有效预报磁暴期间Dst指数的变化趋势、振幅、Dst指数最小值以及最小值出现时间,其预报结果与观测值之间的相关系数为0.95,均方根误差为16.8nT,所有磁暴事件的最小Dst值预报平均绝对误差为9.7nT,最小Dst值出现时间的预报平均绝对误差为1.7h,预报效果均优于其他五个模型。同时还发现利用远程相关性学习对输入参数进行优化的模型总体预报效果均好于未进行输入参数优化的模型,有效提高了各模型对磁暴期间Dst指数的预报精度。最后,我们将所收集的磁暴事件分为大磁暴(-200<Dstmin≤-100 nT)与特大磁暴(Dstmin≤-200 nT)两组分别进行预报研究,通过统计参数及误差分布对比发现DC-SVM模型对两组磁暴事件的预报效果依然好于其他模型。
[硕士论文] 姜乙
空间天气 南京信息工程大学 2016(学位年度)
摘要:将CHAMP卫星与中国地区地面地磁测量(磁测)数据结合进行研究,对提高地磁场模型精度、降低区域磁场模型的边界效益、分析中国地区地磁场时空分布特征具有重要的意义。
  本文利用CHAMP卫星和地面磁测数据对全球和区域地磁场建模进行了研究。分析比较了IGRF11和IGRF12在中国地区的地磁场及其长期变化的分布差异;利用CHAMP卫星和地面磁测数据建立描绘全球地磁场的球谐模型,并与IGRF12进行比较分析;基于CHAMP卫星数据建立二维和三维Taylor多项式模型,比较分析三维模型与二维模型、实测值以及IGRF12的差异;讨论分析了二维和三维Taylor多项式模型在结合CHAMP卫星和地面磁测这两种不同高度的数据进行建模时的特点及局限性。
  主要研究结果如下:
  (1)IGRF12和IGRF11计算的中国及邻近地区的地磁场差异不大。两个模型在2010~2015年期间的年变率整体分布趋势相同,但在局部存在差异。IGRF12的年变化趋势和北京台和兰州台的实测数据的平均变化一致,但在精度上存在明显的误差。IGRF12在2010~2020年中国地区的地磁场长期变化均为线性变化。
  (2)基于CHAMP卫星和中国地面磁测数据建立的全球地磁场模型可较好地反映全球地磁场分布及其长期变化。通过与IGRF12的比较可以发现,模型与IGRF12所描述的全球地磁场在整体分布上基本一致,在区域上存在一定差异。
  (3)基于CHAMP卫星数据建立的三维Taylor多项式模型每一阶的RMSE和残差绝对值的平均值均要比二维模型小约45%。基于CHAMP卫星和地面磁测数据的三维模型的RMSE比二维模型要小约96%。
  根据结果可得到以下结论:
  (1)相对于IGRF12,基于CHAMP卫星和地面磁测数据的全球模型在中国及其邻近地区的分布要相对更为详细,可看到明显的差异,能够更好地反映中国及邻近地区地磁场在全球分布中的状况。
  (2)由于采用了系数完全展开的建模方式,三维模型的系数数量约为二维模型的2N倍,三维模型较低的截断阶数可以反映更多的地磁信息。5阶三维Taylor模型基本可达到8阶Taylor模型的精度。两种模型绘制的地磁场及残差分布有较好的一致性。
  (3)三维Taylor多项式模型可以根据CHAMP卫星和地面磁测数据等不同高度下的数据较好的拟合地磁场分布。由于二维模型由于忽略了高度的因素及其本身的局限性,对系数的估算存在误差,进而影响所计算的地磁场强度,无法在不同高度下进行数据拟合。因此,在利用不同高度下的数据进行地磁场建模研究方面,三维模型要优于二维模型,具有广泛的应用价值。
[硕士论文] 付强
空间天气学 南京信息工程大学 2016(学位年度)
摘要:在空间环境中,物质主要以等离子体态存在。同时,除了电子和质子这两种成分外,人们在日地空间环境观测到的等离子体中还含有带电重粒子成分,如氧、镁、氦、尘埃颗粒等。重带电粒子的存在会明显地影响等离子体内波动的性质。因而,对多成分特别是三成分等离子体波的研究是很有必要的。
  本硕士学位论文利用三流体理论分析了在包含电子、质子和重粒子三种成分的等离子体中低频波动模式的色散关系和电磁特性,并且给出了三成分冷等离子体波完整的解析色散关系方程以及电磁特性关系。本文依据各个模式波相速度的不同,将三支等离子体波分别归类为快模式波、中间模式波和慢模式波。在含有电子、质子和带正电重离子的等离子体中,当波是准平行传播时,快模式波与中间模式波相互作用,并且随着传播角度的增大,两支波逐渐分开。但是在含有电子、质子和带负电的尘埃粒子等离子体中,这两支波一直是相互独立的。对于准平行传播的快模式波和中间模式波,电磁偏振随着波数的增大由线偏振变为圆偏振,而且随着传播角度的增加,对应于圆偏振波的波数范围逐渐缩小。本文给出一个电磁偏振转换点的波数位置,并且发现当重粒子带有正电荷时快模式波和中间模式波在此特殊波数附近发生电磁偏振极性反转、以及当重粒子为带负电尘埃颗粒时快模式波和中间模式波的电磁偏振会明显变化。另外,在等离子体波准垂直传播的条件下,本文发现了三个波模在准垂直传播角度下新的共振频率并给出完整的解析表达式。这些共振频率的大小与波的传播角度、重粒子的成分浓度以及电子、质子和重粒子之间的质量比密切相关。此外,本文还利用求矩阵方程特征值的方法,求出了热的三成分等离子体波色散关系的数值解。
[硕士论文] 李汤姆
天体物理 南昌大学 2016(学位年度)
摘要:磁场重联广泛存在于星际空间和实验室等离子体中,重联过程中磁场能量快速转化为等离子体的动能和热能,最终改变磁力线宏观尺度上的拓扑结构。空间等离子体的许多爆发现象与磁场重联密切相关,例如:太阳耀斑爆发,磁层亚爆等。近几十年来,卫星观测提供了许多发生在日地空间的无碰撞磁场重联的重要证据。本文结合欧空局Cluster卫星和全粒子模拟数据,对无碰撞多X线磁场重联的结构及其伴随的高能电子特征和产生机制开展研究。主要内容如下。
  众所周知重联可以有效的产生高能电子。科学家提出了跟磁重联直接相关的四个不同的电子加速区域:通量堆积区,分离线附近的密度耗空区,磁岛和薄电流片。我们选取在2001至2006年间Cluster卫星在磁尾观测到的磁场重联事件,分析重联四个区域中的电子加速效率。定义能量大于50kev的电子通量和小于26kev的电子通量的比值来量化电子加速效率。我们发现,尽管通量堆积区,磁岛和薄电流片比密度耗空区有更大的可能加速电子,但是这四个区域中的电子加速效率没有明显的高低之分而且,最有效的电子加速通常并不出现在这四个区域中。我们的结果对于一步明确重联中电子的加速机制有重要作用。
  同时利用全粒子模拟研究了在导向场条件下多X线重联中磁岛并合处的物理量特征。多X线重联中的重要产物是磁岛。在系统中存在多个磁岛的情形下,磁岛与磁岛在源自X线的高速出流的带动下很容易发生并合。我们分析了磁岛并合过程的入流和出流,垂直于重联面的电流Jy,Hall电场和磁场等特征,特别是电子的动力学行为特征,并且通过分析广义欧姆定律明确了并合点处重联电场的来源。发现主磁岛间的并合跟对称磁重联特征相似,而主次磁岛间的并合则跟非对称重联的特征类似。
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