行星際磁云中等離子體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)制研究.pdf

1、日冕物質(zhì)拋射(coronal mass ejections，CMEs)是太陽(yáng)大氣中最劇烈、太陽(yáng)系中尺度最大的活動(dòng)現(xiàn)象，它們的爆發(fā)可以在短時(shí)間內(nèi)使日冕拋射的攜帶大量磁場(chǎng)的物質(zhì)進(jìn)入行星際空間。磁云作為日冕物質(zhì)拋射在行星際中的對(duì)應(yīng)物，大量研究證明它的大的行星際磁場(chǎng)的南向分量為造成大的地磁暴的主要原因，因此，磁云作為災(zāi)害性空間天氣的主要驅(qū)動(dòng)者，它的行星際動(dòng)力學(xué)演化一直以來(lái)都是我們研究的重點(diǎn)。
　　然而，長(zhǎng)期以來(lái)人們更關(guān)注磁云的整體動(dòng)力學(xué)演

2、化過(guò)程，對(duì)于磁云內(nèi)部等離子體的運(yùn)動(dòng)研究較少。由于磁云的大尺度結(jié)構(gòu)特征，局地衛(wèi)星僅能幫助我們了解磁云內(nèi)等離子體運(yùn)動(dòng)的局部特征，并且，由于磁云內(nèi)磁場(chǎng)湍流的影響，可能有些運(yùn)動(dòng)被大的漲落所掩蓋。最近Wang et al.(2015)發(fā)現(xiàn)大量磁云內(nèi)等離子體具有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即在運(yùn)動(dòng)的磁云坐標(biāo)系中有繞軸的速度分量，然而，造成這種運(yùn)動(dòng)的原因是什么？這些原因與外部環(huán)境有什么樣的關(guān)系？在本論文中，我們將從引起磁云內(nèi)等離子體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的原因和該原因與外部環(huán)境參數(shù)

3、之間的關(guān)系來(lái)對(duì)磁云內(nèi)等離子體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行細(xì)致深入地研究，希望能夠?qū)Υ旁茝娜彰娴叫行请H的動(dòng)力學(xué)演化提供進(jìn)一步的理解。
　　1、磁云內(nèi)等離子體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的主要原因
　　Wang et al.(2015)發(fā)現(xiàn)大量磁云內(nèi)等離子體具有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，然而對(duì)于這種運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的原因僅僅給出了三種推測(cè):(1)與局地太陽(yáng)風(fēng)的相互作用產(chǎn)生;(2)日冕物質(zhì)拋射在行星際傳播的過(guò)程中由內(nèi)部磁能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能包含了旋轉(zhuǎn)分量;(3)日冕物質(zhì)拋射在日面上爆發(fā)時(shí)產(chǎn)生

4、，并且由于角動(dòng)量守恒而攜帶到1AU處。為了研究磁云內(nèi)等離子體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的原因，我們采用多衛(wèi)星觀測(cè)的方法，利用STEREO-A、Wind、STEREO-B三顆衛(wèi)星所觀測(cè)到的同一個(gè)磁云，借助速度修正的柱型對(duì)稱(chēng)線性無(wú)力場(chǎng)模型對(duì)三顆衛(wèi)星上的磁云進(jìn)行了重構(gòu)，在磁云坐標(biāo)系中研究了與磁云軸向垂直的平面內(nèi)等離子體的速度分量。我們發(fā)現(xiàn)Wind和STEREO-B衛(wèi)星上磁云內(nèi)等離子體有明顯的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而STEREO-A衛(wèi)星上磁云內(nèi)等離子體沒(méi)有明顯的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)

5、，三顆衛(wèi)星上同一個(gè)磁云內(nèi)不同的等離子體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)表明引起磁云內(nèi)等離子體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的原因可能為局地的因素。進(jìn)一步對(duì)磁云內(nèi)等離子體及周?chē)?yáng)風(fēng)中等離子體旋轉(zhuǎn)速度的研究，我們發(fā)現(xiàn)磁云前后邊界處磁云內(nèi)等離子體的旋轉(zhuǎn)方向分別與周?chē)?yáng)風(fēng)中等離子體的旋轉(zhuǎn)方向相一致，并且當(dāng)磁云前后邊界外太陽(yáng)風(fēng)等離子體的旋轉(zhuǎn)速度方向一致時(shí)，磁云內(nèi)等離子體有明顯的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而當(dāng)前后邊界外太陽(yáng)風(fēng)等離子體的旋轉(zhuǎn)速度方向不一致時(shí)，磁云內(nèi)沒(méi)有明顯的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這個(gè)結(jié)果表明磁云與周?chē)?/p>

6、陽(yáng)風(fēng)的相互作用應(yīng)該是引起磁云內(nèi)等離子體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的可能原因。同時(shí)，我們還發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)風(fēng)等離子體與磁云內(nèi)等離子體旋轉(zhuǎn)速度數(shù)值之間呈粗略的正相關(guān)，并且除了STEREO-B衛(wèi)星，其它衛(wèi)星上太陽(yáng)風(fēng)等離子體的旋轉(zhuǎn)速度粗略地大于磁云內(nèi)等離子體的旋轉(zhuǎn)速度，這是粘性引起等離子體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的特征。因此，磁云與局地太陽(yáng)風(fēng)通過(guò)粘性相互作用應(yīng)該是引起磁云內(nèi)等離子體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的一種原因。
　　2、粘性在引起磁云內(nèi)等離子體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中所起的作用
　　粘性是太陽(yáng)風(fēng)的

7、本質(zhì)特性，前人的研究已經(jīng)表明粘性作為空氣動(dòng)力學(xué)中的拖拽力對(duì)大尺度結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程產(chǎn)生了重要的影響，并且在日冕物質(zhì)拋射到達(dá)地球的預(yù)測(cè)模型中得到了很好的證明。我們?cè)噲D研究粘性在造成磁云內(nèi)等離子體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中所起的作用。若太陽(yáng)風(fēng)中粘性為造成磁云內(nèi)等離子體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的原因，那么等離子體的旋轉(zhuǎn)速度從磁云內(nèi)到外應(yīng)該呈增加趨勢(shì)。我們從93個(gè)磁云前后邊界處的穿越事件(186)中篩選出了35個(gè)滿足磁云內(nèi)等離子體旋轉(zhuǎn)速度方向與周?chē)?yáng)風(fēng)速度方向一致且旋轉(zhuǎn)速度絕

8、對(duì)值大于或等于10 km s-1的穿越事件，在磁云邊界內(nèi)外每30分鐘得到等離子體旋轉(zhuǎn)速度的平均值，統(tǒng)計(jì)研究發(fā)現(xiàn)磁云內(nèi)等離子體的旋轉(zhuǎn)速度與周?chē)?yáng)風(fēng)等離子體的旋轉(zhuǎn)速度兩兩之間呈現(xiàn)很高的相關(guān)性，并且兩者之間線性擬合斜率表明周?chē)?yáng)風(fēng)等離子體的旋轉(zhuǎn)速度大于磁云內(nèi)等離子體的旋轉(zhuǎn)速度，且從磁云內(nèi)到外旋轉(zhuǎn)速度呈非單調(diào)性增加趨勢(shì)，這些特征表明粘性確實(shí)是造成磁云內(nèi)等離子體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的一個(gè)原因，但是，由于這些事件僅占總事件的比例為19％，因此，太陽(yáng)風(fēng)中粘性

9、在造成磁云內(nèi)等離子體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中所起的作用是弱的。
　　那么，粘性與太陽(yáng)風(fēng)的參數(shù)例如密度、溫度和磁場(chǎng)的湍動(dòng)強(qiáng)度之間的相關(guān)性如何呢？我們又仔細(xì)檢查了所有磁云事件前后邊界處等離子體旋轉(zhuǎn)速度的變化，找到那些能較好地展現(xiàn)太陽(yáng)風(fēng)中粘性造成磁云內(nèi)等離子體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的9個(gè)事件，得到了太陽(yáng)風(fēng)中粘性與磁云內(nèi)和太陽(yáng)風(fēng)等離子體參數(shù)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)粘性與密度之間呈現(xiàn)強(qiáng)的負(fù)相關(guān)，與磁場(chǎng)的湍動(dòng)強(qiáng)度之間呈現(xiàn)弱的負(fù)相關(guān)，而與溫度之間沒(méi)有明顯的相關(guān)性。這一背后的物理機(jī)