行星际等离子体中的低频波观测

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在行星际太阳风中存在大量等离子体波动,是研究各种等离子体波动及其分布、波模转换以及等离子体不稳定性的理想实验室。太阳风等离子体中的质子速度分布函数通常都呈现各向异性,为研究等离子体温度各向异性不稳定性提供了很好的观测事例。前人的研究主要集中在太阳风高速流中的波动分析,发现其中的阿尔芬波与太阳风加热加速机制密切相关,但低速太阳风中的波动性质还缺乏系统观测。本文基于WIND卫星的局地观测,系统地给出了各种低频磁流体波动和不稳定性随不同太阳风速度的统计分布。  本文首先介绍扰动量相关性分析和SVD波矢量及色散关系分析,给出了磁流体波动和不稳定性类型的诊断依据和经验参数;接着给出了WIND卫星在行星际等离子体中观测到阿尔芬波、慢波、快波、Mirror模和Firehose的典型事例;然后基于WIND卫星1995年1月到1996年9月期间连续测量的太阳宁静期的太阳风数据,统计分析了宁静太阳风(排除了行星际电流片、行星际日冕物质抛射和行星际激波等特殊结构)中的低频(周期大于500秒)磁流体(MHD)波动的分布,同时系统地给出了磁流体波动和不稳定性模在太阳风中的整体分布:  1)在1AU处,阿尔芬波约占所有低频(波动周期大于500秒)磁流体波动的34%,慢波约占65%,而快波约只占1%。  2)存在阿尔芬波的太阳风大约90%是速度大于400km/s的高速风,而且太阳风速度越高,存在阿尔芬波的概率越大。存在慢波的太阳风大约40%属于慢速风,60%属于高速风,而且存在慢波的概率对太阳风速度都差不多一样;快波在太阳风中非常稀少,而且主要与行星际激波和弓激波相关联,但其在高速风和低速风中都有分布。  3)阿尔芬波主要分布在β‖p<1,T⊥p/T‖p>0.8的区域内;慢波主要分布在β‖p>0.2,T⊥p/T‖p<2的区域,与阿尔芬波的区域部分重叠。两者的不同在于慢波集中在β‖p更高,T⊥p/T‖p更小的区域。  4)在1AU处,我们观测到大量的Firehose不稳定性事例,其数量与慢波事例差不多,大约是阿尔芬波的2倍,Mirror模的10倍。其中存在Firehose不稳定性的太阳风的速度85%小于500mk/s,主要分布在parallel Firehose不稳定性阈值曲线附近。存在Mirror模的太阳风的速度90%小于500mk/s,主要分布在βp>1,T⊥p/T‖p>1的区域,而且主要和Mirror不稳定性阈值曲线相关。  5)存在阿尔芬波的等离子体的质子平均温度明显比(β‖p,T⊥p/T‖p)平面相同区域内的不存在波动的等离子体要高,尤其是垂直温度;存在慢波的等离子体的质子平均温度在β‖p~1,T⊥p/T‖p~1附近的区域内明显比不存在波动的等离子体要高;存在Firehose不稳定性的等离子体的质子平均温度比不存在波动的等离子体要低得多。  6)最后,本文还对波动之间的相互转换进行了个例分析,详细地分析了在磁云边界层观测到的慢波向阿尔芬波的共振波模转换事例。  这些观测结果可能有助于进一步加深对太阳风等离子体的加热加速机制研究,以及空间等离子体的MHD波动及不稳定性研究
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