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太阳风是太阳大气向行星际空间输出能量的主要载体,同时它也是空间天气灾害的驱动源。太阳风中存在多种不同尺度的结构和波动,大尺度的日冕物质抛射事件传递到地球空间,可导致地球磁层的剧烈变化,产生灾害性空间天气事件。太阳风中的高速流与低速流之间的相互作用形成的中尺度的共转相互作用区,是导致重现性地磁暴的主要源头。太阳风中的小尺度波动的耗散将对太阳风产生加热和加速作用。对太阳风中结构和波动的发现与认识,将直接促进人们对空间天气形成过程的认识。因此,太阳风中的多尺度结构和波动的研究具有重要的科学意义。
日冕物质抛射(CME)是太阳系中的尺度最大的太阳爆发活动,一直以来人们都是通过遥感光学观测来认识CME,日冕物质抛射三部分结构中的亮核,一直都被认为是爆发日珥,很多CME爆发模型也都包含日珥爆发,但是当CME传播到行星际空间中(称为行星际日冕物质抛射,ICME),人们却很少探测到日珥物质在行星际空间的对应物,因此CME中亮核是否对应日珥物质这一关键科学问题,仍然有待局地卫星观测的确认。另外,人们观测到ICME中具有加热现象,但是并不清楚其加热机制,这个问题的解决就需要探寻ICME中的波动特征。
本文通过对三个行星际日冕物质抛射事件的局地观测数据的分析,首次全面地证认了日冕物质抛射中日珥物质的存在,并证认了日冕物质抛射在太阳风中的三部分结构特征。此外,本文根据两次行星际日冕物质抛射事件的局地观测,首次发现在ICME中有阿尔芬波的存在,并发现阿尔芬波与质子温度的各向异性存在关联,为寻找ICME的加热机制提供了新线索。
在太阳风的小尺度结构中,本文重点研究了平静太阳风中的小尺度压力平衡结构。大尺度压力平衡结构一直是太阳风领域研究的热点,它被认为是来自于日冕中的磁通量管。然而由于以往观测仪器时间分辨率的限制,人们从未系统研究过小尺度,即低于小时的时间尺度,的压力平衡结构。本文根据目前最新的观测数据和数据处理方法,以电子密度与磁场强度扰动的负相关关系作为判据,第一次在平静太阳风中观测到低于小时尺度的、从秒到小时的时间尺度上连续存在的压力平衡结构,扩展了人们对于压力平衡结构的认识。本工作还细致分析了小尺度压力平衡结构的功率谱特征,并将其与以往工作中的大尺度压力平衡结构功率谱对比,结果显示二者趋势吻合。最后还初步探讨了小尺度压力平衡结构的形成机制,为压力平衡结构的起源探寻提供了新的方向。
本文的阐述结构如下,第一章介绍太阳风中物质能量输出的多尺度结构特征的背景知识,第二章介绍了与本工作相关的局地测量仪器原理和数据处理方法,第三章介绍本工作结果之一:太阳风中的大尺度结构ICME的观测特征,第四章给出本工作结果之二:太阳风中小尺度结构中的压力平衡结构的观测特征,第五章给出对本文工作的总结和展望。