地球磁尾超低頻波(ULF wave)動力學過程研究

中文摘要

地球磁尾超低頻(ULF)波是太陽風能量輸入和貯存在磁層的一種重要方式，也是電離層磁層耦合的紐帶之一，對磁尾動力學過程有重要影響。磁層ULF波的特徵、起因和效應已受到地基、電離層和空基等觀測手段的廣泛研究。但是，夜側電漿層頂之外Pc5 ULF波的特性和激發機制因觀測手段所限一直缺乏研究。本研究將充分利用Cluster、THEMIS、RBSP衛星以及地磁台站數據在大範圍聯合觀測研究夜側拉伸磁力線上Pc5 ULF波現象及其與內磁層波動的關係。論證波動的激發源，判斷空腔/波導的存在性和尺度問題。此外，本研究將結合以往對電漿片渦旋流所做的工作，從磁流波的角度進一步分析渦旋流與磁力線共振(FLRs)的關係，以期揭示渦旋流的激發機制和演化過程。最後，計畫利用新的分析手段，包括GS重構方法對多衛星同時觀測的Pc5壓縮波的二維結構和傳播特性做進一步分析。

結題摘要

本項目擬針對當前人們對地球磁層拉伸磁力線上超低頻波觀測較少，機制不清，對磁層渦旋產生的機制、與大尺度阿爾芬波的關係認識不足而展開研究。預計明確外磁層空腔/波導模的存在性，頻率與磁層空腔尺度的聯繫和磁尾超低頻波的統計特性等。另一方面是要理清磁層的大尺度渦旋的產生和演化過程。通過項目的開展，上述第二條目標已基本實現。太陽風動壓的突然增長會在電離層激發瞬時傳輸對流渦旋(TCV),TCV電流伴隨地磁水平分量快而尖銳的初始脈衝(PI)和持續時間稍長的主要脈衝(MI)。我們利用全球76個地磁台站的數據、位於外磁層的三顆THEMIS衛星和午夜後兩顆同步軌道GOES衛星的數據，研究了地面PI/MI事件期間磁層發生的現象。結合全球數值模擬，我們發現PI電離層渦旋對應於磁層觀測到的尾向傳播脈衝信號(SI), 而MI電離層渦旋映射到磁赤道面附近的大尺度渦旋(徑向尺度達3RE)上。分析表明，激發地面PI信號需要的場向電流一部分由磁赤道波模轉化供給，而大部分可能來自日側高緯磁層的某個區域；激發地面MI信號需要的場向電流由磁層赤道面渦旋提供。這一工作驗證了早期的理論圖像，對揭示太陽風動壓脈衝引起的磁層-電離層瞬時電流系統有一定意義。相關工作已於2016年11月發表在JGR space physics上。本人指導研究生利用THEMIS八年的數據系統研究了磁尾超低頻波的特性，指出無論環型還是極型波的在12個地球半徑之外，主要都不是駐波(駐波不足10%)，相關工作已在國內外會議上做了張貼報告。團隊成員還通過個例研究，報導了太陽風動壓降低引發磁層膨脹繼而使波導模頻率降低的事實，上述工作處在待投稿和已接受(JGR,2017.01)狀態。此外，在該項目資助下，我們利用Cluster衛星數據，建立了-19 RE

地球磁尾超低頻波(ULF wave)動力學過程研究

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