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磁层顶能量传输的全球MHD数值模拟研究

作　者: 荆浩
导　师: 蒋勇
学　校: 南京信息工程大学
专　业:
关键词: 磁层顶能量传输磁流体力学模拟磁重联粘性相互作用
分类号: P353.8
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

太阳风-磁层能量耦合是空间天气学研究的重要课题之一。本文运用全球磁流体力学(MHD)数值模拟结果,通过寻找包含磁层的太阳风流线的内边界确定磁层顶位形,并确定出极尖区位置作为磁层顶日侧和夜侧的分界线。在此基础上对太阳风通过磁层顶向地球磁层传输的机械能和电磁能进行了定量的研究。结果表明在磁层顶能量传输过程中,行星际磁场(IMF)和太阳风动压起着决定性作用。主要结论概括如下：1.稳态太阳风条件下磁层顶能量传输：当IMF为北向时,磁重联和粘性相互作用共同控制着磁层顶能量输入。由于极尖区后方尾瓣上的磁重联作用,极尖区附近有较强的机械能和电磁能输入。太阳风向下游流动过程中,磁尾赤道面附近的行星际磁场被强烈拖拽,等离子体在向磁尾流动过程中,一部分从磁尾高纬度进入磁层顶并沿内边界并向低纬度转向,结果在磁尾赤道面附近堆积,随后大部分流出当地的磁层顶,少部分进入磁尾中性片两翼,导致等离子体片两翼等离子体温度变冷、密度变大。在IMF为南向时,磁重联起了主要作用,电磁能在极尖区后方的磁尾高纬度区域输入最大、低纬度地区输入最小,而机械能主要在向阳侧赤道面发生磁重联的区域附近输入。当太阳风密度增大时,南、北向IMF条件下机械能的输入都增大,电磁能的输入在北向IMF条件下变化甚微,而在南向IMF条件下增加明显；当太阳风磁场强度增加时,机械能输入基本不变,电磁能输入在南向IMF条件下增加的量较北向IMF时更显著。在动压为3nPa,行星际磁场强度为5nT条件下,IMF北向时冲击到磁层顶的太阳风能量约有1.7%进入磁层,而南向时则增大到4.3%。若用北向IMF和南向IMF下电磁能输入比来表征磁重联率,综合考虑本文中太阳风条件,北向IMF时磁场重联率大约是南向的20%。2.亚暴事件中的磁层顶能量传输：在1998年6月5日太阳风事件中,太阳风磁场方向有几次突然的向南转向,快速变化的IMF触发了一系列磁层亚暴,能量沉降明显。针对这一事件,利用WIND和ACE的太阳风观测数据作为上游输入条件,对磁层电离层的响应进行了模拟。研究了磁层顶能量传输,结果表明,由于地球磁偶极倾角为正值,绝大数通过磁层顶输入磁层的能量发生在X>0Re的北半球区域。当激波到达磁层时,通过磁层顶输入的能量突然剧增,输入区域主要集中在极尖区附近。经历了较长时间的北向IMF后,磁层顶的电磁能输入并没有受突然南转的IMF影响突然增加,而是逐渐上升到较高值。但是,能量耦合函数如ε等参数没有反映出这种能量输入的滞后现象。通过研究此次事件中IMF与传输能量分布的关系发现：当IMF为晨向或晨-北向时,机械能基本在北半球极尖区附近输入显著；IMF为晨-南向时,机械能主要在日侧赤道面和日下点附近输入显著。对于电磁能输入,当IMF北向且By分量较大时,在磁层顶的极尖区前侧(日侧)和后侧(夜侧),可分别在准平行IMF时钟角和垂直IMF的方位角区域识别出输入大值区；但当IMF有南向分量时,日侧的输入区消失,电磁能在与IMF时钟角平行的夜侧磁层顶方向输入显著。IMF北向分量越大,日侧的区域输入越明显,反之亦然。在晨-北向IMF条件下,电磁能在日侧和夜侧两种输入区在磁层顶上共存,我们推测这是两种形态低纬度磁重联在磁层顶上同时发生的结果。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-9
第一章绪论  9-21
  1.1 研究意义  9-10
  1.2 太阳风-磁层能量耦合研究进展  10-19
    1.2.1 太阳风简介  10-12
    1.2.2 磁层简介  12-13
    1.2.3 磁层顶位形研究  13-15
    1.2.4 太阳风-磁层能量耦合研究  15-19
  1.3 研究内容  19-21
第二章模式和能量传输的确定  21-35
  2.1 模式简介  21-24
    2.1.1 全球磁层MHD模式  21-22
    2.1.2 SWMF模式  22-24
  2.2 磁层顶能量传输的计算  24-32
    2.2.1 磁层顶识别  24-28
    2.2.2 极尖区识别  28-31
    2.2.3 传输能量计算  31-32
  2.3 讨论与小结  32-35
第三章稳态太阳风条件下磁层顶能量传输  35-57
  3.1 北向IMF时磁层顶能量传输  36-39
    3.1.1 机械能的传输  36-38
    3.1.2 电磁能的传输  38-39
  3.2 南向IMF时磁层顶能量传输  39-41
    3.2.1 机械能的传输  39-41
    3.2.2 电磁能的传输  41
  3.3 其他条件磁层顶能量传输  41-45
  3.4 能量传输机制  45-53
    3.4.1 北向IMF条件下的传输机制  46-51
    3.4.2 南向IMF条件下的传输机制  51-53
  3.5 讨论  53-55
  3.6 小结  55-57
第四章亚暴期间的磁层顶能量传输  57-81
  4.1 1998年6月5日太阳风事件  57-65
    4.1.1 观测结果  58-61
    4.1.2 磁层-电离层的响应  61-65
  4.2 能量传输特征  65-68
  4.3 能量传输地图  68-71
  4.4 讨论  71-78
  4.5 小结  78-81
第五章总结与展望  81-85
  5.1 全文结论  81-83
  5.2 研究展望  83-85
参考文献  85-91
作者简介  91-93
致谢  93-95
彩图  95-100

磁层顶能量传输的全球MHD数值模拟研究

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