行星際磁云中等離子體旋轉(zhuǎn)運動的機制研究.pdf

1、日冕物質(zhì)拋射(coronal mass ejections，CMEs)是太陽大氣中最劇烈、太陽系中尺度最大的活動現(xiàn)象，它們的爆發(fā)可以在短時間內(nèi)使日冕拋射的攜帶大量磁場的物質(zhì)進入行星際空間。磁云作為日冕物質(zhì)拋射在行星際中的對應(yīng)物，大量研究證明它的大的行星際磁場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)動者，它的行星際動力學(xué)演化一直以來都是我們研究的重點。
　　然而，長期以來人們更關(guān)注磁云的整體動力學(xué)演

2、化過程，對于磁云內(nèi)部等離子體的運動研究較少。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)等離子體運動的局部特征，并且，由于磁云內(nèi)磁場湍流的影響，可能有些運動被大的漲落所掩蓋。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)運動，即在運動的磁云坐標(biāo)系中有繞軸的速度分量，然而，造成這種運動的原因是什么？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)運動的原因和該原因與外部環(huán)境參數(shù)

3、之間的關(guān)系來對磁云內(nèi)等離子體的旋轉(zhuǎn)運動進行細致深入地研究，希望能夠?qū)Υ旁茝娜彰娴叫行请H的動力學(xué)演化提供進一步的理解。
　　1、磁云內(nèi)等離子體旋轉(zhuǎn)運動產(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)運動，然而對于這種運動產(chǎn)生的原因僅僅給出了三種推測:(1)與局地太陽風(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程中由內(nèi)部磁能轉(zhuǎn)化成動能包含了旋轉(zhuǎn)分量;(3)日冕物質(zhì)拋射在日面上爆發(fā)時產(chǎn)生

4、，并且由于角動量守恒而攜帶到1AU處。為了研究磁云內(nèi)等離子體旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生的原因，我們采用多衛(wèi)星觀測的方法，利用STEREO-A、Wind、STEREO-B三顆衛(wèi)星所觀測到的同一個磁云，借助速度修正的柱型對稱線性無力場模型對三顆衛(wèi)星上的磁云進行了重構(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)運動，而STEREO-A衛(wèi)星上磁云內(nèi)等離子體沒有明顯的旋轉(zhuǎn)運動

5、，三顆衛(wèi)星上同一個磁云內(nèi)不同的等離子體旋轉(zhuǎn)運動表明引起磁云內(nèi)等離子體旋轉(zhuǎn)運動的原因可能為局地的因素。進一步對磁云內(nèi)等離子體及周圍太陽風(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)方向分別與周圍太陽風(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風(fēng)等離子體的旋轉(zhuǎn)速度方向一致時，磁云內(nèi)等離子體有明顯的旋轉(zhuǎn)運動，而當(dāng)前后邊界外太陽風(fēng)等離子體的旋轉(zhuǎn)速度方向不一致時，磁云內(nèi)沒有明顯的旋轉(zhuǎn)運動，這個結(jié)果表明磁云與周圍太

6、陽風(fēng)的相互作用應(yīng)該是引起磁云內(nèi)等離子體旋轉(zhuǎn)運動的可能原因。同時，我們還發(fā)現(xiàn)太陽風(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)運動的特征。因此，磁云與局地太陽風(fēng)通過粘性相互作用應(yīng)該是引起磁云內(nèi)等離子體旋轉(zhuǎn)運動的一種原因。
　　2、粘性在引起磁云內(nèi)等離子體旋轉(zhuǎn)運動中所起的作用
　　粘性是太陽風(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力學(xué)中的拖拽力對大尺度結(jié)構(gòu)的動力學(xué)過程產(chǎn)生了重要的影響，并且在日冕物質(zhì)拋射到達地球的預(yù)測模型中得到了很好的證明。我們試圖研究粘性在造成磁云內(nèi)等離子體旋轉(zhuǎn)運動中所起的作用。若太陽風(fēng)中粘性為造成磁云內(nèi)等離子體旋轉(zhuǎn)運動的原因，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。我們從93個磁云前后邊界處的穿越事件(186)中篩選出了35個滿足磁云內(nèi)等離子體旋轉(zhuǎn)速度方向與周圍太陽風(fēng)速度方向一致且旋轉(zhuǎn)速度絕

8、對值大于或等于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)計研究發(fā)現(xiàn)磁云內(nèi)等離子體的旋轉(zhuǎn)速度與周圍太陽風(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圍太陽風(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，這些特征表明粘性確實是造成磁云內(nèi)等離子體旋轉(zhuǎn)運動的一個原因，但是，由于這些事件僅占總事件的比例為19％，因此，太陽風(fēng)中粘性

9、在造成磁云內(nèi)等離子體旋轉(zhuǎn)運動中所起的作用是弱的。
　　那么，粘性與太陽風(fēng)的參數(shù)例如密度、溫度和磁場的湍動強度之間的相關(guān)性如何呢？我們又仔細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)太陽風(fēng)中粘性造成磁云內(nèi)等離子體旋轉(zhuǎn)運動的9個事件，得到了太陽風(fēng)中粘性與磁云內(nèi)和太陽風(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)強的負相關(guān)，與磁場的湍動強度之間呈現(xiàn)弱的負相關(guān)，而與溫度之間沒有明顯的相關(guān)性。這一背后的物理機