地球磁层对行星际激波的响应情况及其产生的极低频波与能量

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1、北京大学2016年国家创新计划结题论文地球磁层对行星际激波的响应情况及其产生的极低频波与能量粒子的相互作用分析地球与空间科学学院13级马小涵顾文尧摘要：行星际激波能够造成全球磁场的变化，影响地磁活动。为了研究不同类型行星际激波的影响，我们利用时序叠加的统计方法，研究了2001~2013年的129个行星际激波事件的行星际磁场条件和地磁活动指数。根据行星际激波到来时，行星际磁场在地心-太阳磁层坐标系(GSM坐标系)中Bz分量的值将这些事件分为三类：以行星际磁场有南向分量为前提的南向激波事件；以行星际磁场有北向分量为前提的北向激波事件；行星际磁场在南北

2、方向无明显分量的事件。其中，仅前两类事件为主要研究对象。通过对这些事件发生时，地球磁场的环电流指数进行统计分析得出，地球磁场变化有着明显的区域不对称性且在不同行星际激波条件下表现不同。我们还从这129个事件中选区了极区电极流指数大于100nT的90个事件来研究伴随亚暴的行星际激波事件对地球磁场的影响。统计结果显示，在南向行星际激波事件中，极区电极流指数在夜侧有明显的增长。此外，地磁活动还显现出季节性的差异：当行星际磁场朝向太阳时，地磁活动在每年的春分点附近更剧烈，当行星际磁场背离太阳时，地磁活动在每年的秋分点附近更剧烈，这中变化可由Russell

3、-McPherron(R-M)效应给出解释。为了研究磁暴与亚暴期间对地球磁场产生明显影响的环电流的变化，我们在偶极场下模拟了纯漂移的环电流共振氧离子与ULF波的波粒相互作用。模拟结果显示，ULF波可以加速环电流氧离子，增加的能量能够达到初始能量的量级。在与漂移周期尺度相当的较长时间里，共振氧离子的能量与L值呈周期性变化，对应着氧离子的引导中心在波场参考系下相对位置的周期性改变。此外，我们还研究了氧离子第一绝热不变量在ULF波下的破坏，发现当ULF波电场较强时(电场幅度大于10mV)，氧离子的第一绝热不变量被破坏。此时ULF电场需要达到的量级可以用

4、氧离子引导中心极化漂移项来解释。I.引言：众所周知，地球上的地磁活动通常会受到太阳风和行星际磁场(IMF)条件的共同作用。太阳风动压的突然增加／降低都将对全球磁场产生剧烈的影响，例如ChapmanFerraro电流，1区电流，越尾电流，极区电喷流和环电流都将受到影响[1]北京大学2016年国家创新计划结题论文。而这种由太阳风动压变化引起的磁层的压缩／膨胀，会导致地面磁场观测到一个正向／负向脉冲信号。这种正向脉冲也通常被认为是造成磁暴急始(SSC)的基本原因。SSC是在磁暴发生前地球磁场H分量的突然增加，说明来自行星际的间断面/激波到达地球磁场[2

5、]。Gonzalez指出，有着复杂主相的大磁暴的发生可能是由于行星际激波前段的南向磁场和随之而来的激波鞘区域的作用。当激波压缩激波鞘区域时，会产生额外的磁场结构[3]。因此，当行星际激波到达时，由于行星际磁场的作用，地球磁场会发生全球范围内的剧烈扰动。同时，由于行星际磁场方向不同时与地球磁场的相互作用过程不同，地球磁层对不同行星际激波事件的响应情况也不同。Yue通过对1997~2007年伴随不同行星际磁场条件的行星际激波事件的统计分析，得到当行星际磁场南向时，行星际激波将导致AE(AL，AU)和PC指数的显著增强，这说明地球磁层-电离层系统在南向

6、行星际磁场条件下，将更易发生由行星际激波事件导致的亚暴事件[4]。而当行星际磁场北向时，行星际激波对磁层的作用仅以压缩为主。Wang通过对1998~2006年的行星际激波事件进行统计分析，说明地球空间磁场，包括同步轨道上的磁场变化和地面观测到的磁场脉冲信号都与行星际激波事件有关，并且这种变化强烈地依赖于地方时[5]。在本文的研究工作中，我们根据2001~2013年的磁场和地磁指数的数据得到地磁活动在不同行星际磁场条件下明显的不对称性。同时也得到了地磁活动的季节性变化。这种季节性变化长期以来都被观测到并通过许多方法进行分析，其中，Russell，M

7、cPherron对该现象的解释(Russell-McPherron效应)被广泛接受。Russell-McPherron效应将这种半年的变化归因于平均的IMF的影响，由于IMF在太阳赤道平面内的方向是帕卡螺旋形的切向方向，根据地心-太阳磁层坐标系(GSM坐标系)的耦合效应可知，在春季当IMF指向太阳时，或在秋季当IMF背向太阳时，将在地球上投影出一个南向分量。而根据GSE坐标系中IMF的By分量的正负可以判断IMF朝向/背向太阳，因此在这部分研究工作中，我们不仅做关于Bz分量不同时的激波事件的统计分析，还在此基础上进一步通过统计分析By分量对地磁活

8、动的影响情况。统计结果显示，在秋天当IMF的方向背离太阳时(By>0)，地磁活动更强烈，而在春天当IMF的方向朝向太阳时(By<0)，地