磁尾爆发性整体流的多点卫星研究
在磁尾等离子体片中，经常会出现爆发性整体流(BurstBulkFlow，简称为BBF)。自从Angelopoulos1994年提出磁尾爆发性整体流以来，因为其在磁层能量和磁通量输运过程及亚暴过程中所起的重要作用，近来一直是磁层物理学界的研究热点。特别是目前围绕BBF在磁层能量和磁通量输运方面所产生的针锋相对的争议，更是引起了磁层物理研究人员的浓厚兴趣。欧空局Cluster卫星是国际上首次探测磁层的同轨多点卫星，是国际首次能够研究磁层空间中小尺度物理过程一个重要卫星计划。
本论文采用欧空局Cluster卫星的离子数据和磁场数据，利用Cluster四颗同轨多点卫星的特点，研究磁层平静时期和亚暴时期的磁尾BBF的空间和时间演化特性，以及BBF在整个磁层能量和磁通量输运过程中的作用进行了研究。并将多颗卫星的观测结果与以前的单颗卫星的研究结果进行了比较。
我们主要使用了2001年和2002年7月到10月Cluster穿越磁尾的数据。测量磁场的是仪器是磁通门磁强计。测量等离子体整体流密度、速度和温度的仪器是Cluster离子谱仪。
为了比较亚暴期间和磁层平静时期BBF的特点，我们首先对平静时期的BBF事件进行了研究。2001年9月7日三颗卫星观测到一个平静时期的典型BBF事件，我们对该事件的时空特性进行了详细分析。利用同样的方法，对2001年和2002年的另外几次BBF事件也进行了分析，并将三颗卫星观测到的这些事件与单颗卫星的结果进行了比较。研究发现多颗卫星联合观测到的BBF事件的持续时间要比单颗卫星观测到的大一倍左右，同时BBF在晨昏方向上的摆动决定了三个卫星观测到BBF的先后次序，三颗卫星的观测也显示了BBF的高度局域化特征，BBF的区域定义也会影响卫星的选取结果。磁宁静期磁尾BBF寿命的增大，使得BBF携带的质量和能量的地向输运增加。这种地向输运增加的结果是：磁尾储存的能量得到较为平稳的释放，改变了亚暴起始产生的时间，对解决磁层压力平衡矛盾问题提供了新的思路。
然后，我们对2001和2002年的7-10月的活动时期三颗卫星联合观测到的209个BBFs/Ang事件进行了研究。在三颗卫星观测到的209个BBFs/Ang事件中，C1只观测到了其中的162个。C1观测到的BBFs/Ang事件平均持续时间为604秒，和以前单颗卫星给出的10分钟左右的持续时间接近。而三颗卫星C1，3，4联合观测到的209个BBFs/Ang事件的平均持续时间为1105秒。如果考虑到三颗卫星C1，3，4在中心等离子体片中的分布位置有限，那么BBFs/Ang事件的平均持续时间可能大于1105秒。因此BBFs/Ang事件的平均持续时间可能和亚暴爆发持续的时间幅度相当。
为了比较不同BBF的判断标准，我们使用Rajetal[2002]的选取原则对同样的数据进行了分析。C1，3，4联合选取出了243个BBF/Raj事件，平均持续时间为771秒。在这243个BBF/Raj事件中，C1总共观测到了134个，平均持续时间为527秒。两种选取原则的结果表明单颗卫星观测到的事件的持续时间要少于多颗卫星联合观测到的，说明单颗卫星观测在BBF的研究中的局限性，不能正确地反映BBF的特性。两种BBF判断标准的比较说明多颗卫星观测对Rajetal[2002]的方法影响要比对Angelopoulosetal[1994]的方法的影响更加显著。
我们还研究了多点卫星观测中卫星之间的距离对研究结果的影响。Cluster卫星在2001年卫星之间的间隔在2000公里变化，2002年卫星之间的间隔在4000公里变化。在三颗卫星观测到的209个BBFs/Ang事件中，2001年观测到其中的137个，而2002年有72个。在单颗卫星C1观测到的162个事件中，2001年观测到的为134个，而2002年只有28个。即2001年卫星间距较小时，单颗卫星观测中BBF丢失率是2.1％；在2002年卫星间距较大时，单颗卫星观测中BBF丢失率是61.1％。其它判断方法也给出了类似的结果。在三颗卫星观测到的243个BBF/Raj事件中，2001年观测到其中的158个，而2002年只有85个。在单颗卫星C1观测到的134个BBF/Raj事件中，2001年观测到的为¨5个，而2002年只有19个。三颗卫星观测到的306个RCE事件中，2001年观测到其中的197个，而2002年只有109个。以上结果表明在卫星之间的间隔比较小的2001年，单颗卫星和多颗卫星观测到的事件数目相差不大；在卫星之间的间隔比较大的2002年，单颗卫星和多颗卫星观测到的事件数目相差很大；说明卫星之间的间隔影响观测结果。
我们还研究了BBF在中心等离子体片中的发生率。单颗卫星C1观测到的BBFs/Ang事件的持续总时间为27.2小时，C1在中心等离子体片内停留的总时间为286.9小时。因此单颗卫星C1观测到的BBFs/Ang事件在中心等离子体片内的发生率为9.5％，这个结果与Angelopoulosetal[1999]的结果相当。三颗卫星联合观测到的209个BBFs/Ang事件的持续总时间为64.17小时，三颗卫星在中心等离子体片内停留的总时间为329.94小时。因此多颗卫星观测到的BBFs/Ang事件在中心等离子体片内的发生率为19.4％，远大于单颗卫星C1观测得到的BBF发生率。
使用综合选取原则进行分析时发现三颗卫星可以同时观测到同一次BBF事件，有时也只有一颗或两颗观测到BBF，给出了其它卫星观测不到BBF事件的原因。(1)等离子体整体流的速度峰值满足BBF选取原则中的峰值要求，但卫星的运行轨道不满足；(2)卫星处于所要求的区域内，等离子体整体流的速度峰值不满足；(3)中性片的复杂结构及其运动使得选取条件不能同时满足；(4)BBF空间分布高度局域化。统计研究结果表明：单颗卫星观测存在局限性，C1、C3和C4卫星独立观测到BBF的持续总时间分别占它们联合观测到的55.07％、77.48％和55.52％。
我们还研究了BBF与亚暴的对应关系。2001年和2002年的7月到10月总共选取出了67个亚暴。在这67个亚暴中，其中的42个亚暴爆发期间单颗卫星C1总共观测到了162个BBFs/Ang事件，剩下的15个亚暴爆发期间，C1没有观测到BBFs/Ang事件。这个结果与以前单点卫星的观测结果类似。但是如果使用多颗卫星(C1，C3和C4)，其中的64个亚暴爆发期间可以观测到209个BBFs/Ang事件，只有三个亚暴爆发期间多颗卫星联合观测不到BBFs/Ang事件。所以多点卫星的观测结果对以前单点卫星的观测结果做出了重要修正。即BBF与亚暴的关系可能是一对一或者是多对一的对应关系。
快速对流事件(RapidConvectionEvent，简称为RCE)是用水平磁通量输运来定义的一种高速流事件。在三颗卫星联合观测到的306次RCE中,C1观测到215个,C3观测到266个，C4观测到227个。统计研究表明单点卫星观测的RCE的平均个数缺失率是22.8％，平均时间缺失率是40.5％。由此推论在整个中心等离子体片内，快速对流事件所承担的能量和磁通量的输运量可能远大于单点卫星观测给出的占总输运的30-50％，约为50-80％。85.07％的亚暴观测到一次或多次RCE,低于用速度来定义的磁尾爆发性整体流与亚暴的关系给出的95.52％。所以用速度来定义的BBF与亚暴的关系，比用磁通量定义的RCE与亚暴的关系要更加紧密。
爆发性整体流;亚暴;时间尺度物理;磁尾等离子体片;磁通量输运;多点卫星
中国科学院空间科学与应用研究中心
博士
空间物理学
曹晋滨
2006
中文
P142.6;P353.2
81
2007-06-11（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）