Cluster卫星对地球磁尾电流片拍动特性的统计研究.docx
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Cluster卫星对地球磁尾电流片拍动特性的统计研究
本科毕业论文(设计)
题目:
Cluster卫星对地球磁尾电流片拍动特性的统计研究
姓名:
高佳维学号:
20121000553
学院(课部):
李四光学院专业:
地球物理
指导教师:
余涛戎昭金职称:
教授副研究员
评阅人:
王琪职称:
教授
2016年5月
学位论文原创性声明
本人郑重声明:
所呈交的论文是本人在余涛、戎昭金导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名:
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定,同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。
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本学位论文属于
1、保密□,在_________年解密后适用本授权书。
2、不保密□。
(请在以上相应方框内打“√”)
作者签名:
年月日
导师签名:
年月日
摘要
磁尾电流片经常处于活跃状态并前后拍动,磁尾电流片的拍动现象揭示了磁尾动力学过程。
本文利用Cluster卫星的观测数据和相关数据分析方法对磁尾电流片拍动事件进行了统计分析,主要结果如下:
通过观测可知:
电流片拍动过程中卫星连续穿越电流片,电流片拍动波的相速度约几十km/s,波长为几个Re(地球半径),在磁尾|Y|<18Re范围内都能观测到电流片拍动的现象,拍动的持续时间可以长达几个小时。
本文使用Timing方法和MVA方法计算电流片运动方向的法向,并得到了GSM坐标系下Y-Z平面内拍动方向的汇总图。
对2001年至2004年卫星穿越电流片的事例进行统计分析,结果表明电流片在|Y|<6Re范围内主要为垂直拍动,在|Y|>12Re范围内电流片主要为水平拍动。
本文将电流片拍动类型分为稳态拍动和扭结拍动。
将电流片拍动类型进行区分并计算扭结拍动的传播方向,结果表明电流片在午夜区域主要呈稳态拍动,不向两翼传播,在拍动地点处于|Y|>10Re时电流片向两翼传播。
在8<|Y|<12处同时存在不传播的拍动以及传播的拍动,这表明电流片由午夜附近的稳态拍动转换为两翼的扭结拍动。
本文研究结果为电流片触发机制提供了依据。
关键词:
磁尾电流片电流片拍动拍动方向拍动类型
Abstract
Themagnetotailcurrentsheetisactiveandoftenflapsbackandforth.Theflappingmotionofmagnetotailcurrentsheetisessentialtoexplorethemagnetotaildynamicprocesses.UsingClusterdata,wemakeastatisticalresearchontheflappingpropertiesofthemagnetotailcurrentsheet.Themainresultssummarizedasfollows.
Astheflappingwavespassingby,thespacecraftcrossthecurrentsheetsuccessively.Thephasevelocityoftheflappingwavesisfewtenskm/s,andthewavelengthisseveralEarthradiuses.Flappingmotioncouldbeobservedintherangeof|Y|<18Rewithendurancetimeexceedingtoseveralhours.
WecalculatethenormaldirectionofthecurrentsheetorientationsusingMVAandTimingmethodsobtainthedistributionofthecurrentsheetnormaldirectionintheY-ZplaneinGSMcoordinatesystem.Westatisticallysurveyedtheflappingmotionofcurrentsheetfrom2001to2004andourresultsshowthatintherangeof|Y|<6Rethecurrentsheetflappingmotionisquasi-verticalonthecontraryintherangeof|Y|>12Retheflappingmotionisquasi-horizontal.
Theflappingbasicallyconsistsoftwotypes:
thesteadyflappingandthekink-likeflapping.Weuseatechniquetodiagnosetheflappingpropertiesincludingflappingtypeandthetravelingdirectionofkink-likeflapping.Wefoundthattheflappingtypeofcurrentsheetismainlysteadyflappinginthemidnightregionandtheflappingdoesnotpropagateaswaves.Intherangeof|Y|>10Retheflappingtypeismainlykink-likeflappingabletopropagateaswavesalongtheYaxistowardthetailflanks.Intherangeof8<|Y|<12Reitcomprisesthecontributionfrombothsteadyflappingandkink-likeflappingalongYaxisanditshowsthetwotypesofflappingmotioncantransformtoeachother.Thestatisticalresultsofthisstudymaygivesomecluesforfurtherstudiesonthetriggeroftheflappingmotion.
Keyword:
MagnetotailCurrentSheet;CurrentSheetFlappingMotion;FlappingOrientation;FlappingType
第一章前言…………………………………………………………………………………1
§1.1选题的目的与意义…………………………………………………………………1
§1.2研究问题的现状及存在的问题……………………………………………………1
§1.3卫星计划与坐标系…………………………………………………………………3
1.3.1Cluster卫星计划…………………………………………………………………4
1.3.2空间数据坐标……………………………………………………………………4
§1.4本文主要工作内容…………………………………………………………………5
第二章地球磁尾电流片背景概述……………………………………………………………5
§2.1地球空间环境………………………………………………………………………6
2.1.1地磁场概述………………………………………………………………………6
2.1.2地磁场性质………………………………………………………………………7
2.1.3电离层概述………………………………………………………………………8
2.1.4磁层概述…………………………………………………………………………8
§2.2磁尾电流片…………………………………………………………………………9
2.2.1电流片的概念与位置……………………………………………………………10
2.2.2电流片的等离子体特征…………………………………………………………10
2.2.3电流片模型………………………………………………………………………10
第三章磁尾电流片法向计算方法……………………………………………………………11
§3.1MVA方法计算电流片法向………………………………………………………11
3.1.1MVA方法原理…………………………………………………………………12
3.1.2MVA方法应用举例……………………………………………………………12
§3.2Timing方法计算电流片法向……………………………………………………14
3.2.1Timing方法原理…………………………………………………………………15
3.2.2Timing方法应用举例……………………………………………………………15
第四章电流片拍动类型判断方法……………………………………………………………16
§4.1类型判别方法原理…………………………………………………………………16
§4.2类型判别方法举例应用…………………………………………………………19
第五章磁尾电流片拍动事例统计……………………………………………………………22
§5.1数据预处理…………………………………………………………………………22
§5.2结果及讨论…………………………………………………………………………27
第六章结论及展望……………………………………………………………………………28
致谢…………………………………………………………………………………………30
参考文献…………………………………………………………………………………………31
附录………………………………………………………………………………………………32
第一章前言
§1.1选题的目的与意义
磁尾电流片是行星磁层中常见的磁场结构。
太阳风与地球磁场相互作用可以使地磁场在背阳面距离地球八个地球半径以外的区域明显拉伸形成磁尾结构。
磁尾南北两部分磁场沿日地连线法向并反垂直,其中磁场反向过渡的区域称为磁尾电流片。
磁尾电流片在磁尾动力学过程中起到关键性的作用,卫星的观测表面磁尾电流片经常处于拍动状态,这种拍动状态能形成波动传播。
磁尾电流片拍动作为磁尾能量释放的一种方式收到了人们广泛的关注,但拍动的特性与产生机制目前仍未完全清楚。
Cluster卫星为欧空局2000年发射的科学探测卫星,其特点为四颗卫星联合观测可以对磁层热点区域(如磁尾电流片)做小尺度精选观测并能够区分测量物理量的时空变化。
在Cluster提供多点探测数据后,人们对磁尾电流片的本质特性更一步加深了。
前人对磁尾电流片拍动已经做出了一些统计研究,但在很多方面仍存在布不足。
主要体现在近午夜区域内电流片拍动缺乏统计数据,在垂直方向上的拍动未进行统计,拍动类型未作区分。
本文利用Cluster卫星数据,对磁尾电流片拍动现象进行了统计研究,将近午夜区域以及垂直方向上的电流片拍动进行统计,并分析了磁尾电流片的拍动类型,讨论了电流片拍动的机制。
本文结果丰富了磁尾电流片的观测数据,对磁尾电流片拍动机制和传播特性的理解有推进作用。
§1.2研究问题的现状及存在的问题
为引出本文工作内容先对目前人们目前对磁尾电流片拍动的了解进行概述。
通过上文描述我们知道磁尾电流片是磁层中非常活跃的一个区域。
前人的研究中发现磁尾电流片在南北方向来回运动形成拍动传播(SpeiserandNess[1],1967)。
其具体表现为卫星多次穿越磁尾电流片,磁场Bx分量发生反转。
这种拍动可以沿着日地连线传播(Speiser[2],1973;Fairfield[3],1981)也可以沿着晨昏方向传播(Luietal.,1978[4];1984[5])。
由于人们观测到的拍动电流片的厚度,拍动速度等信息不能区分磁场的时空变化,所以磁尾电流片拍动的本质特性并未完全理解清楚。
从Cluster卫星提供多点探测数据后,人们对磁尾电流片的认识更一步加深了,利用Cluster数据Zhang(2002)[6]分析一次电流片拍动事例首次确切的发现了磁尾电流片拍动能以波的形式向晨昏方向传播。
Sergeev(2003)[7]分析了一次发生在昏侧的电流片拍动事件并发现传播方向是向昏侧的。
之后有学者对磁尾电流片穿越事件进行了统计分析。
Sergeev(2004)[8]统计201年Cluster穿越磁尾电流片共59次穿越,得到结果是晨侧电流片法向基本为晨向,昏侧电流片法向基本为昏向,也就是说晨侧电流片一般向晨侧传播,昏侧电流片一般向昏侧传播。
所以他推测拍动波从磁尾午夜附近被激发,向着晨昏两侧传播。
统计结果如图1-1所示。
图1-1(a)卫星在晨昏两侧分别对应磁尾电流片的法向方法;(b)拍动波激发示意图
Sergeev(2004)考虑的是8Re<|y|<15Re(Re指地球半径,约为6371km,下文同理)范围内电流片的拍动,Runov(2005)[9]统计了-15Re<|y|<15Re范围的78个电流片穿越事件,得到同样的结论:
拍动在午夜附近触发,并向晨昏两侧翼传播,但两者在磁尾中心处电流片拍动的形式并未作出详细统计,z方向上的拍动特性未做分析。
Runov发现在晨昏侧电流片拍动法向速度有明显的地向分量。
Runov对电流片拍动方向的统计结果如图1-2所示。
图1-2(左图)电流片法向速度在x-y平面下的投影;(右图)MVA方法最大本征值对应本征方向在x-y平面的投影
孙为杰(2010)[10]统计分析了2001年与2003年的电流片拍动事件,他认为磁尾电流片存在着两种不同性质的运动:
晨昏方向运动和子夜方向运动,并且在|Y|<8Re内电流片南北分量扰动较大。
将磁尾电流片速度分布图投影至GSE坐标系xy平面内,其中黑色代表磁尾电流片运动方向朝子夜方向,灰色代表磁尾电流片运动方向朝向晨昏方向,得到结果如图1-3所示。
图1-3磁尾电流片在GSE坐标系下x-y平面的速度分布图
戎昭金(2015)[11]指出,电流片拍动可分为两种类型:
稳态拍动和扭结拍动。
稳态拍动指卫星在电流片拍动中来回穿越同一电流片,拍动不会以波的形式传播出去。
扭结拍动可以使拍动以波动的形式传播,可以沿着x轴或y轴进行传播。
这两种拍动类型都可以导致磁场Bx分量正负发生反复的倒转。
区分这两种拍动的类型可以得到拍动是否形成波动传播,这在研究电流片形成机制中是重要的。
本文将利用这种判别方法对磁尾电流片拍动类型进行统计。
除了电流片拍动的传播方向,人们统计拍动电流片的传播速度约为10-50km/s,拍动周期约为20分钟,波长约为4Re,波幅约1-2Re(Zhangetal.,2002[12],2005[13];Sergeevetal.,2004[8];Runovetal.,2009[14])。
在磁尾距地心不同距离时,拍动的速度和波幅均有不同。
一般情况下靠近地球处比远离地球处电流片拍动的速度更慢。
卫星观测到至少在距离地心8-19Re范围内,电流片拍动是同相位传播的,拍动在x方向上的尺度大于10Re。
(Zhangetal.,2005[13];Runovetal.,2009[14])。
§1.3卫星计划与坐标系
1.3.1Cluster卫星计划
本文数据来源于Cluster卫星计划。
Cluster卫星为欧空局ESA(EuropeanSpaceAgency)于2000年7月16日发射的科学探测卫星(Escoubetetal,2001[15])。
Cluster卫星计划包含四颗几乎相同的卫星,这四颗卫星在太空中距离相当接近,且携带相同的科学仪器。
Cluster卫星均为极轨卫星,其近地点约为4Re,远地点约为19.6Re,倾角约90°,轨道周期约为57小时。
四颗卫星在太空中的间距随着时间变化,整体呈四面体结构。
Cluster卫星之间的最大距离与最小距离随时间变化趋势如图1-4所示。
其中蓝色线条内指的是Cluster于每年8月至10月穿越地球的磁尾区域时卫星的间距。
图1-4Cluster卫星间距随时间变化图
Cluster卫星计划主要科学研究目标为探究地球空间等离子体边界层结构和动力学过程。
因为单科卫星不能有效区分空间物理量的时空变化,Cluster卫星计划的创新之处在于可以观测地球空间环境三维小尺度结构以及电磁场与粒子场的时空变化。
随着地球的自转,Cluster卫星的轨道周期性穿越磁层中研究的区域,会以四面体构型在每年的二月份穿越地球极尖区,在每年八月份穿越磁尾电流片。
Cluster卫星四颗卫星均携带了11台相同的科学仪器,可以完成多种科研任务。
本文使用的数据主要来自于Cluster磁通门磁强计FGM(FluxGateMagnetometer),可以得到高分辨率的磁场数据。
Cluster卫星所有经过校正后的科学数据可以在CAA(ClusterActiveArchive)网站上下载,网址为(http:
//caa.estec.esa.int/caa/home.xml)。
1.3.2空间数据坐标
本文介绍在磁尾研究中较为常用的三种空间坐标系以及其转换关系。
GSE坐标系(GeocentricSolarEcliptic):
地心太阳黄道系简称GSE坐标系,x轴由地球指向太阳,z轴垂直黄道平面指向北方向,y轴在黄道平面上指向黄昏方向。
GSM坐标系(GeocentricSolarMagnetic):
地心太阳磁层系简称GSM坐标系,x轴由地球指向太阳,z轴平行于地磁偶极中的磁北极轴,y轴与磁偶极轴垂直。
SM坐标系(SolarMagnetic):
太阳磁坐标系简称SM坐标系,z轴平行于磁北极。
y轴与日地连线垂直并指向黄昏,x轴与y轴z轴构成右手正交坐标系。
GSM系与GSE系均为右手正交的地心坐标系,x轴指向相同,不同之处在于两者绕x轴转动。
GSE坐标系用于表示卫星轨迹,行星际磁场以及太阳风速度。
GSM坐标系在表示磁层顶与弓激波边界位置磁鞘以及磁层磁场时很方便。
磁北极与GSE系在z轴方向的夹角称为偶极倾角,当磁北极倾向太阳时该角为正值。
SM坐标系用于磁层顶以及磁层磁场的研究,偶极磁场在SM坐标系下的表示相对简单。
本文未做特殊说明一般默认坐标数据为在GSM坐标系下观测的数据。
GSM与GSE坐标系之间的变换关系为:
(1-1)
θ角以年和天为周期变化,不能通过一个简单的方程导出。
θ角每天变化范围在正负11°左右,每年的变化范围为正负23°左右。
该角度可由Cluster卫星处理后的数据提供。
SM坐标系与GSM坐标系的区别在于绕y轴的旋转,旋转的角度等于偶极倾角。
GSM系到SM系的变换是绕y轴转动偶极倾角
。
变换关系为:
(1-2)
§1.4本文主要工作内容
本文从Cluster卫星穿越磁尾电流片的事例出发,先介绍用于判断电流片运动法向的Timing方法以及MVA方法,再介绍区分电流片拍动类型的判断方法。
因为卫星在2001年至2004年卫星的间距较小适合用以上处理方法,对卫星穿越磁尾电流片的事例进行统计。
尤其是在磁尾中心区域前人的工作没有详细介绍。
对磁尾电流片拍动运动方向进行统计,统计不同y轴区域内电流片法向的规律。
对电流片穿越事件判断其拍动类型并汇总,将电流片拍动分为可传播的扭结拍动与不可传播的稳态拍动,并对两种拍动类型进行分析。
通过以上统计分析的结论对磁尾电流片拍动的机制进行分析,分析拍动机制与观测事实的相同点与不通电,并提出自己的观点。
、
故本文结构如下:
第一部分为地球磁尾电流片背景知识的综述,在第一章与第二章介绍;第二部分为电流片法向与电流片拍动类型数据处理方法与举例应用,包含第三章与第四章;第三部分为电流片拍动的统计结果与拍动机制的对比分析,包含第五章;第四部分为本文工作的总结并对将来工作进行展望,为第六章。
第二章地球磁尾电流片背景概述
§2.1地球空间环境
2.2.1地磁场概述
地磁场是地球本体拥有的重要物理场,它有着复杂的空间结构与时间结构[16]。
研究地磁场是人类认识地球的起源与演化,探索地球空间环境,分析空间环境与人类生活的关系的重要手段。
由于地磁场具有典型性与易观测的特性,地磁场也成为人类研究太阳系其他星球和宇宙天体磁场的重要依据。
2.1.2地磁场性质
地磁场为矢量场,是以时间和空间为变量的函数。
一般描述地磁场的空间分布采用如图2.1所示的地磁观测点直角坐标系:
以观测点为原点,取地理北方向为x轴,地理东方向为y轴,垂直向下为z轴。
分别记为北向分量,东向分量和垂直分量为地磁场的三分量。
地磁场研究中很重要的四个要素分别为:
水平强度H,磁偏角D,磁倾角I(磁场向下倾为正),总强度F。
这七个要素中有三个(并非任意三个)是独立的,其他可以由三个独立要素导出。
它们之间的关系如式2-1。
图2-1地磁场观测点坐标系
(2-1)
地磁场在磁场强度上很弱。
地磁场地表最大值约为6×10-5特(T),因为磁场强度较小,地磁学中经常使用更小的磁场强度单位纳特(nT)。
磁场高斯制的单位为高斯(G)。
单位之间的关系是
(2-2)
地磁场虽然在磁场强度上弱,但是地磁现象所带来的磁场强度变化幅度很大。
地球主磁场的磁场强度为105nT数量级,地磁场平静太阳日变化大约为102nT数量级。
按照地球地磁场的场源划分,分为内源场与外源场两大部分[1]。
内源场起源于地表以下,可以再分为地核场,地壳场,感应场三部分。
地核场称为主磁场,现在普遍认为是由地核磁流体发电机过程产生的,并且占总磁场的95%以上。
地壳场是由地壳与上地幔磁性岩石产生的,称为局部异常磁场,约占总磁场的4%。
感应场为外源场在地球内部生成感应电流的磁场。
外源场起源于地球以外的空间电流体系,大部分分布在电离层与磁场中。
这些电流体系随时间变化很快,所以又称为瞬变磁场。
地磁场的偶极子场成分占地磁场的绝大部分,可以将地磁场近似看做一个偶极子场。
非偶极子场贡献的磁场模型一般采用国际地磁参考场(InternationalGeomagneticReferenceField,简称IGRF)偶极子场的中心为地心,偶极磁矩M与地球自转轴方向相反。
磁偶极轴与地球表面的交点称为地磁极,与地球地理极不重合,并且与地球自转轴有将近11度的夹角。
地球的主磁场一般较为稳定,但有缓慢的长期变化,在的地质年代中地磁场多次发生倒转。
2.1.3电离层概述
电离层为地球高度约60~1000km处地球高层大气被电离的部分。
太阳极紫外线和软x射线产生的光电子以及带电离子的撞击是形成电离的原因[17]。
电离
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- Cluster 卫星 地球 电流 拍动 特性 统计 研究