太阳风磁层电离层耦合的全球mhd数值模拟研究pdf

　　太阳风一磁层，电离层（ＳＭＩ）系统的演化和系统内部的耦合过程，是窄问天气学的关键问题之一。本论文运用全球ＭＨＤ数值模拟，对ＳＭＩ系统中 的重要电动力学参数，即电离层越极电位、磁层顼重联电压和电离层１区场 向电流进行定量研究。主要取得如下三方面的成果： １．电离层越极电位和磁层顶重联电压的饱和现象 越极电位（Ｋ。）一般定义为电离层电势的极大值和极小值之羞，可通过 地面雷达和空间卫星进行观测。以往的观测和全球ＭＨＤ模拟研究表明， 越极电位（％。）随太阳风电场增强会发生饱和。太阳风和ｌ磁层的能量传 输主要通过磁场重联实现，总重联率用重联电压（Ｋ）表征。与越极电 位不同，重联电压无法通过直接观测确定，而只能通过ＭＨＤ模拟进行 计算。以往的模拟研究表明Ｋ也存在类似的饱和现象。本文通过大量模 拟算例，就Ｋ。和Ｋ的饱和现缘进行定罱研究。在模拟中，我们假定电离 层Ｐｅｄｅｒｓｅｎ电导均匀，Ｈａｌｌ电导为零，行星际磁场（ＩＭＦ）位于正南方向。 每个算例由叫个参数表征：Ｐｅｄｅｒｓｅｎ电导率Ｐ，太阳风电场反。，太刖风动 压只。和阿尔芬马赫数帆。通过对１００多个算例的分析证明，Ｋ。和Ｗ不仅 与Ｅｓ。有关，还随蓿只。的增加或阮的减小单调增加；通过对全部算例的综 合分析，找到一个综合参数，＝Ｂ。只ｗＭｉＶ２，发现Ｋ。和Ｋ可以用．厂和Ｐ的 函数近似拟合。这些函数分别为：Ｋ。＝２．３１０３（‘厂＋ｏ．８）（Ｐ＋２）＿１／（，＋ ８．２）和Ｋ＝１．８１０３［，＋ｏ．４５（岁２＋１．２）］（拶。＋ｏ．４５）一１／（．厂＋１５．５），其 中Ｐ、Ｋｃ、，羼。和只、ｖ的单位分别为Ｓ，ｋＶ，ｋＶ，ｍＶ／ｍ和ｎＰａ。基于上 述拟合公式，我们得到以下三个结论： （３）由于共享同一个驱动源以及ＳＭＩ系统内部的耦合作用，Ｋ。和表现出类似的饱和行为，二者之间存存密切的正相关。 ２．不同ＩＭＦ时铡ｔ角下磁层磁场的磁合觅：线和重联电压 磁合并线即地磁场闭合力线和ＩＭＦ开放力线的分隔线，它给出磁场重联 摘要 的发生位置。沿磁合并线的电位降称为重联电压，由它表示总重联率。我 们提出了～套诊断方法，确定模拟磁层磁场的磁合并线和计算沿合并线的 电势分布，据此计算重联电压。磁合并线由大量地磁场最外闭合力线的最 小磁场点和若干合适选择的最外闭合力线连接而成，合并线上的电势分布 通过沿径向射线积分对流电场获得。该方法成功用来确定不Ｉ—ＩＭＦ时钊，角 （目ＩＭＦ）下的磁层磁场的磁合并线和重联电压，从中分析磁合并线的几何 位形和重联电乐与目ＩＭＦ）的依赖关系。结果表明： （１）磁层磁场与由地球 偶极场和ＩＭＦ简单叠加而成的合成场具有几何位形大致类似的磁合并线）重联电压与臼ＩＭＦ之问近似满足ｓｉｎ（目ＩＭＦ／２）３／２关系；电离层的越级电位 和极盖区边界上的电压随ｓｉｎ（ｐＩＭＦ／２）３／２的变化呈现不同的规律，一般不能 简单用它们取代重联电压来量度总重联率。 （３）向阳侧磁合并线电势的最 大值和最小值之间的合并线长度与口ＩＭＦ的关系是非单调的，在臼ＩＭＦ＝９０。时 最长，因此用合并线上的电场来取代重联电压来表征总的重联率和太阳 风一磁层耥合程度也不合理。 （４）磁合并线上离日下点最近的两个磁零点 附近重联电场几乎为零，说明预期在该处发生的反平行重联实际上并未发 生，这一结果支持准定态ＳＭＩ系统的向阳侧磁重联的分量重联假设。 ３．低阿尔芬马赫数下舷激波对１区电流的贡献 近期一些研究揭示出舷激波对电离层ｌ区场向电流的重要贡献，指出该 贡献与南向ＩＭＦ强度鼠正相关。本文将这一研究拓宽至低阿尔芬马赫数情 况。结果发现，如果帆＞２，舷激波贡献的１区电流，１ｂ。与Ｂ。正相关，与前 人结论一致。然而，当帆接近或低于２时，』ｌｂ。的人小及其在总１区电流』１中 所占比例（，１ｂｓ／，１）均随反的增大而减小。舷激波日下点的面电流密度和 舷激波总电流也有类似变化规律：它随帆或Ｂ。非单调变化，地＝２．７时达 到最大值。由此我们得到如下结论： （１）相对容易观测的日下点附近的 舷激波面电流密度，可以替代舷激波总电流大致反映舷激波的电流特性。 （２）当只调节鼠时，舷激波总电流在螈＝２。７附近达到极人值。 激波电流随帆的非单调变化导致舷激波对１区电流的贡献出现类似非单调变化，转折点位于ＭＡ＝２附近。 ＡｂｓｔＩ．ａｃｔ Ａｂｓｔｒａｃｔ ＴｈｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｎｄｉｎｈｅｒｅＨＣ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｏｆｔｈｅｓｏｌａｒｗｉｎｄ—ｍａｇｎｅｔｏｓｐｌｌｅｒｅ－ ｉｏｎｏｓｐｈｅｒｅ（Ｓ】Ｉ）ｓｙｓｔｅｍ ｓｅｒＶｅｓａｓｏｎｅｏｆｃｒｕｃｉａｌｉｓｓｕｅｓｏｆｓｐａｃｅ、＾ｒｅａｔｈｅｒ． Ｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓ ａｐｐｌｉｅｓ９１０ｂａｌ ＭＨＤｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｔｏｍａｋｅａ ｑＵａｎｔｉｔａｔｉＶｅｓｔｕｄｙ ｏｆｓｅｖｅｒａｌｉｍｐｏｒｔａｎｔｅｌｅｃｔｒｏｄｙｎａｍｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆｔｈｅＳＭＩ ｓｙｓｔｅｍ，ｉ．ｅ．，ｔｈｅ ｉｏｎｏｓｐｈｅｒｉｃｔｒａｎｓｐｏｌａｒｐｏｔｅｎｔｉａｌ，ｔｈｅｎｌａｇｎｅｔｏｐａｕｓｅ ｒｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ Ｖｏｌｔａｇｅ，ａｎｄ ｉｏｎｏｓｐｈｅｒｉｃｒｅｇｉｏｎ１６ｅｌｄ—ａｌｉｇｎｅｄ ｃｕｒｒｅｎｔ． ＴｈｅｍａｉｎａｃｈｉｅＶｅｍｅｎｔｓａｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｂｅｌｏｗ． Ｔｈｅｓａｔｕｒａｔｉｏｎｏｆｉｏｎｏｓｐｈｅｒｉｃｔｒａｎｓｐｏｌａｒｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｍａｇ—ｎｅｔｏｐａｕｓｅ ｒｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｔｈｅｉｏｎｏｓｐｈｅｒｉｅｔｒａｎｓｐｏｌａｒｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｄｅｆｉｎｅｄａｓｔｈｅｄｉ行．ｅｒｅｎｅｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｍａｘｉｍｕｍａｎｄｍｉｎｉｍｕｍｏｆｔｈｅ ｉｏｎｏｓｐｈｅｒｉｃ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ，ａｎｄ ｃａＩｌｂｅｏｂｓｅｒｖｅｄ ｂｙｇｒｏｕｎｄ ｒａｄａｒａｎｄ ｓｐａｃｅ ｓａｔｅｌｌｉｔｅｓ． ＰｒｅＶｉｏｕｓｏｂｓｅｒＶａｔｉｏＩｌｓ ｇｌｏｂａｌｍａｇｎｅ七ｏｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ（ＭＨＤ）ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｔｕｄｉｅｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅ ｔｒａｎｓｐｏｌａｒｐｏｔｅｎｔｉａＪｌ（１％ｃ）ｓａｔｕｒａｔｅｓ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｓｏｌａｒｗｉｎｄｅｌｅｃｔｒｉｃ６ｅｌｄ． Ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｔｒａｎｓｆｅｒｉｓｂｅｌｉｅＶｅｄｔｏｂｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄｍａｉｎｌｙｂｙｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｅｅｏｎ－ ｎｅｃｔｉｏｎ，ａｎｄｔｈｅｔｏｔａｌｒｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｒａｔｅｉｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄｂｙ ｔｈｅｒｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｖｏｌｔａｇｅ（１昨）．Ｉｎ ｃｏｎｔｒａｓｔｗｉｔｈｔｈｅ ｔｒａｎｓｐｏｌａｒｐｏｔｅｎｔｉａｌ，ｔｈｅ ｒｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎＶ０１ｔ— ａｇｅ ｃａｎｎｏｔｂｅ ｄｉｒｅｃｔｌｙｏｂｓｅｒｖｅｄ，ｓｏ ｃａｎｏｎｌｙ ｂｅｅＶａｌｕａ七ｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈｇｌｏｂａｌ ＭＨＤｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ． ＰｒｅｖｉｏｕｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｔｕｄｉｅｓｒｅｖｅａｌｅｄａｓｉＨｌｉｌａｒｓａｔｕｒａｔｉｏｎ Ｋｃ．Ｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓｐｒｅｓｅｎｔｓａｑｕａｎ七ｉｔａ土ｉＶｅｉｎＶｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆｔｈｅｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ｏｆｂｏｔｈ Ｋｃ ａｎｄＷｉｎ ｔｅｒｍｓｏｆａ １ａｒｇｅ ｎｕｍｂｅｒｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｕｎｓ． Ｉｎｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ，ｗｅ ａｓｓｕｍｅｔｈａｔｔｈｅ ｉｏｎｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｐｅｄｅｒｓｅｎｃｏｎｄｕｃ七ａｎｃｅｉｓ ｕｎｉ— ｆｂｒｍ，ｔｈｅＨａｌｌｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅｖａｎｉｓｈｅｓ，ａｎｄｔｈｅｉｎｔｅｒｐｌａｎｅｔａｒｙｒｎａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｃｌｄ （ＩＭＦ）ｉｓｄｕｅｓｏｕｔｈｗａｒｄ。 Ｅａｃｈｒｕｎｉｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄ ｆ６ｕｒｐａｒａｍｅｔｅｒｓ：ｔｈｅ ＰｅｄｅｒｓｅｎｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅＰｆ６ｒｔｈｅ ｉｏｎｏｓｐｈｅｒｅ，ａｎｄ ｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ点１ｓｗ，ｒａｍ ｐｒｅｓｓｕｒｅ只ｗ，ａｎｄ Ａｌｆｖ６ｎＭａｃｈｎｕ血ｂｅｒＭＡ ｔｈｅｓ０１ａｒｗｉｎｄ，Ｗｉｔｈｔｈｅ ｕｓｅｏｆｍｏｒｅｔｈａｎ１００ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｕｎｓ、ｖｅｓｈｏｗｔｈａｔ ｏｎｌｙｌｌｌ Ａｂｓｔｒａｃｔ （ｉｃｐｃｌｌｄｓ Ｅｗ，ｂｕｔａｌｓｏｉｎｃｒｅａＳｅｓ ｍｏｎｏｔｏｎｉｃａｌｌｙ ｄｅｃＩ。ｅａｓｉｎｇＭＡ．Ｔｈｒｏｕｇｈａｓｙｎｔｈｅｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆａｌｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘａｍｐｌｅｓ，ａ ｃｏｍｂｉｎｅｄｐａｒａｍｅｔｅｒ，ｉｓｆｏｕｎｄ，ｇｉｖｅｎｂｙ‘厂＝最、ｖ只。烁叫。，ａｎｄ ｂｏｔｈ Ｋｃ ａｎｄＷｃａｎｂｅ ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ ｆｉｔｔｅｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓｏｆ．厂ａｎｄＰ．Ｗｈｅｎｔｈｅ ｕｎｉｔｓａｒｅＳｆｏｒＰ，ｋＶ Ｅｗ，ａｎｄｎＰａ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓａｒｅｆｏｕｎｄｔｏｂｅ％。＝２．３１０３（，＋ｏ．８）（Ｐ＋２）一１／（，＋８．２）ａｎｄ Ｋ＝１．８１０３［．厂＋ｏ．４５（ｙ２＋１．２）］（ｙ２＋ｏ．４５）一１／（．厂＋１５．５）．Ｔｈｒｅｅ ｃｏｎ— ｃｌｕｓｉｏｎｓａｒｅｍａｄｅａＳｆｏｌｌｏｗｓｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｅｆｏｒｍｕｌａｓ． （１）ＢｏｔｈＫｃａｎｄ ｓａｔｕｒａｔｅｗｉｔｈ ｒｅｓｐｅｃｔ ｔｏｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ，；ａｎｙ Ｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｔｈｅ ｉｎｔｅｒｐｌａｎｅｔａｒｙ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｉｎ ｆａｖｏｒｏｆｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ．厂ｍａｙ ｃａｕｓｅｔｈｅｓａｔｕｒａｔｉｏｎ． （２）Ｔｈｅ ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ｐｏｉｎｔ ｉｓｆｏｕｎｄｔｏ ｂｅ五＝６．６ ｃｏｎｔｒｏｌｓｔｈｅｓａｔｕｒａｔｉｏｎｌｅｖｅｌｓ．（３）Ｔｈｅｔ、ｐｏｔｅｎｔｉａｌｓ， ％ｃａｎｄ，ｅｘｈｉｂｉｔ ｓｉｍｉｌａｒｓａｔｕｒａｔｉｏｎｂｅｈａＶｉｏｒｓ，ａｎｄａｒｅ ｐｏｓｉｔｉＶｅｌｙ ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ ｂｃｃａｕｓｅｏｆｓｈａｒｉｎｇ ｔｈｅｓａｍｅ ｄｒｉｖｉｎｇ ｓｏｕｒｃｅａｎｄｔｈｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｉｎｈｅｒｅｎｔｉｎｔｈｅ ＳＭＩｓｙｓｔｅｍ． ２．Ｉａｇｎｅｔ ｉｃ ｍｅｒｇｉｎｇ ｌｉｎｅａｎｄｒｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｖｅｒｓｕｓｔｈｅ ＩＭＦｃｌｏｃｋ ａｎｇｌｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃｍｅｒｇｉｎｇ ｌｉｎｅｉｓ ｓｅｐａｒａｔｏｒｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅＥａｒｔｈ’ｓｃｌｏｓｅｄｆｌｅｌｄ ｌｉｎｅｓａｎｄｔｈｅＩＭＦｏｐｅｎ ｆｌｅｌｄ １ｉｎｅｓ，ａｎｄ ｍａｒｋｓｔｈｅｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｓｉｔｅｓ．Ｔｈｅ ｐｏｔｅｎｔｉａｌｄｒｏｐａｌｏｎｇ ｍｅｒｇｉｎｇｌｉｎｅｉｓｃａｎｅｄｒｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ Ｖｏｌｔａｇｅ， ｗｈｉｃｈｄｅｎｏｔｅｓｔｈｅｔｏｔａｌｒｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｒａｔｅ．Ｗｂｐｒｏｐｏｓｅａｓｅｔｏｆｄｉａｇｎｏｓｉｓｍｅｔｈ— ｏｄｓｔｏｔｒａｃｅｔｈｅ ｍａｇｎｅｔｉｃｍｅｒｇｉｎｇ １ｉｎｅａｎｄｔｏｃａｌｃｕｌａ七ｅｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ａｌｏｎｇ ｆｏｒｔｈｅｍａｇｎｅｔｏｓｐｈｅｒｉｃｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄ）ｆｒｏｍ ｗｈｉｃｈｔｈｅｒｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｖｏｌｔａｇｅ ｉｓｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ．Ｔｈｅｍａｇｎｅｔｉｃｍｅｒｇｉｎｇ １ｉｎｅｉｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ ｍｉｎｉｍｕｍｐｏｉｎｔｓ ｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｓｔｒｅｎｇｔｈａｌｏｎｇ ｌａｒｇｅｎｕｍｂｅｒｏｆｌａｓｔｃｌｏｓｅｄ ｍａｇｎｅｔｉｃ ６ｅｌｄｌｉｎｅｓａｎｄｓｅｖｅｒａｌ ｐｒｏｐｅｒｌｙ ｓｅｌｅｃｔｅｄｌａｓｔｃｌｏｓｅｄｆｉｅｋｉ