行星际激波动理学特征研究

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行星际激波是日地空间重要的等离子体和磁场结构,通常由日冕物质抛射(Coronal Mass Ejection,CME)或者快速太阳风驱动产生。CME传播到行星际空间时,被叫做行星际日冕物质抛射(Interplanetary CME,ICME)。本文利用Wind卫星对太阳风就地测量数据,对一个在ICME中传播的行星际激波和一个在典型太阳风中传播的行星际激波的动理学特征进行了研究。在动理学尺度对在不同等离子体环境中传播的行星际激波进行研究对于无碰撞激波的微观物理学发展具有重要意义。  在ICME中传播的行星际激波于1998年8月6日被Wind卫星观测到。作者利用最小方差分析方法(Minimum Variance Analysis,MVA)、带通滤波器、功率谱分析和粒子分布函数拟合方法对太阳风磁场和等离子体就地观测数据进行分析,得到了激波-ICME相互作用在动理学尺度演化的结论:(1)在该激波附近观测到了镜面反射回旋离子,并且符合镜面反射理论预测和地球弓激波观测结果。这为低马赫数激波也会发生粒子反射现象提供了观测证据。在该激波事例中观测到的反射离子可能和激波附近观测到的波动为激波一起提供能量耗散。该激波事例没有明显的磁“脚”结构,而镜面反射回旋离子的存在可能意味着这可能是由于磁场数据的时间分辨率不足导致。此外,尽管越过激波质子的温度各向异性增强,但ICME中的低等离子体βp值限制了离子回旋不稳定性和镜模不稳定性的触发。(2)激波下游的电子双向流特征的消失表征了激波和ICME之间的相互作用。电子双向流的消失可能是由在激波“斜坡”附近观测到的波动对电子的投掷角散射造成。激波附近的电子分布满足触发哨声热流不稳定性的条件,这可以解释激波附近波动的产生和激波下游的双向流电子的消失。另外一可以帮助解释激波下游的ICME中的双向流电子消失的物理机制是越过激波发生的电子正常回旋加速效应。(3)激波附近观测到的哨声波可能与在激波“斜坡”附近观测到的哨声热流不稳定性有关。波动可能起源于激波“斜坡”处,因为从激波“斜坡”到激波上游波包的振幅一直减小。这和在激波“斜坡”附近观测到了哨声热流不稳定性的触发一致。激波附近观测到的哨声波和小激波(shocklet,实质为磁声波)附近观测到的哨声波有相似特性,这可能意味着由于激波-ICME的相互作用激波可能正在退化。激波已经传播到了ICME内部,所以ICME中的强磁场可能使得激波已经开始退化。  对在ICME中传播的激波进行分析的基础上,作者结合小波分析方法对在1999年9月12日观测到的在太阳风中传播的行星际激波的动理学特性进行了分析。关键结论如下:(1)该激波的快磁声马赫数Mf=2.35,可能为一超临界激波。该激波附近的镜面反射回旋离子和“脚”以及“过冲”磁结构被观测到的时间范围是一致的。该激波事例可能依赖粒子反射和波粒相互作用两种机制进行能量耗散。越过激波,质子的温度各向异性和等离子体βp值增强。激波下游可能触发了离子回旋不稳定性和镜模不稳定性,这为激波下游波动情况非常显著提供了可能的依据。(2)该激波上游观测到了前驱哨声波,其频率范围为2.0Hz<f<4.0Hz。激波附近观测到的哨声波可能与在激波“斜坡”附近观测到的哨声热流不稳定性有关。波动可能起源于激波“斜坡”处,因为从激波“斜坡”到激波上游波包的振幅一直减小。这与激波“斜坡”附近哨声热流不稳定性的强度最强一致。越过激波,41.8eV-689.2eV能量范围内的电子的数目通量以及能量通量在垂直于磁场方向增强,这可能是由在激波“斜坡”附近触发的哨声热流不稳定性和越过激波发生的电子正常回旋加速效应对电子的投掷角散射造成。(3)在激波下游,离子回旋不稳定性可能激发产生了离子回旋波。激波上游亦观测到和下游观测到的离子回旋波频率相近的一支波动,但其偏振情况和离子回旋波相反。离子回旋波的波矢角θkB、θkV以及θkn的值比激波上游的同频率范围内的波动对应的波矢角更大。激波上游的波动的具体模式需要进一步的工作去确定。此外,激波附近以及上游观测到了与激波反射相关的较强的回旋离子以及场向束流离子可能会为激波上游的波动提供自由能。这可以部分的解释该激波事例上游的波动情况比1998年8月6日激波事例上游波动情况更复杂的原因。此外,尽管激波下游可能触发了镜模不稳定性,但没有找到镜模波动的直接观测证据。  本文的创新点和特色是:(1)首次在动理学尺度对在ICME中传播的行星际激波进行了研究,揭示了激波在ICME中传播时展现的动理学特征,包括激波附近的波动模式,激波对离子的反射行为;(2)展现了激波如何改变ICME内部等离子体环境,这在动理学尺度对ICME之间的相互作用提供了新的视角;(3)全面分析在典型太阳风中传播的一行星际激波附近的波动情况,辨认出了部分波动模式并给出了其相应的触发机制。这为激波动理学理论和模拟发展提供了观测依据。
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