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本论文阐述了关于太阳风湍流小尺度间歇结构研究的三项发现:(1)发现磁场间歇结构主要由旋转间断面类型的结构组成,切向间断面类型的结构只占极少数;(2)发现主要磁场间歇结构不伴随有局地质子温度的升高;(3)发现磁场间歇结构的强度控制太阳风小尺度湍流功率谱的各向异性程度,并在此基础上,提出了湍流惯性区中存在间歇亚区的新概念,在这一亚区尺度内,湍流功率谱的性质由间歇结构控制。上述工作分别质疑了学术界流行的如下看法:(1)认为切向间断面类型的电流片是主要的磁场间歇结构;(2)认为磁场间歇结构对太阳风有重要的加热作用;(3)认为功率谱的各向异性表明太阳风中存在临界平衡串级过程。上述工作将对太阳风的湍流串级过程的研究和对太阳风的加热过程的研究有重要的促进作用。 太阳风是由太阳日冕向外发出的充满行星际空间的磁化等离子体流,是联系太阳与地球磁层环境的主要介质。太阳风具有湍流特性,其扰动的功率谱呈现出幂律谱的形式。太阳风湍流的能量串级和耗散过程为太阳风加热提供重要能源。太阳风湍流是研究宇宙中广泛存在的磁流体湍流的最好范例。小尺度间歇结构处于湍流惯性区的高频端,靠近耗散区,传承串级能量,对太阳风湍流的能量串级和耗散过程有关键作用。因此,研究小尺度的间歇结构及其对湍流串级和太阳风加热的影响具有重要意义。然而,由于受到等离子体数据观测仪器时间分辨率的限制,以往对小尺度(~20秒)间歇结构的研究甚少,下述基本问题还有待进一步研究:其物理本质是什么?对太阳风局地等离子体加热是否有贡献?对太阳风湍流谱各向异性有怎样的影响? 本文利用WIND卫星高时间分辨率(3秒)的磁场和等离子体数据,并用小波分析的方法,详细研究了太阳风高速流中小尺度磁场间歇结构的本质、加热效应及其对湍流谱各向异性的影响。本文研究成果主要包括以下三个部分。 (1)小尺度间歇结构的本质;太阳风磁流体湍流具有间歇性,即流场空间中局部大振幅扰动出现的概率明显大于高斯分布的预期,且尺度越小间歇现象越明显。流体湍流中,间歇对应着湍流串级集中的地方,而太阳风磁流体湍流中的间歇结构是不是湍流串级集中之处,至今仍不清楚。少有的观测个例曾表明时间尺度为30分钟的间歇结构对应着相邻磁流管的交界面。太阳风湍流的二维数值模拟结果中发现湍流非线性相互作用产生与重联相关的切向间断面结构,它可能是小尺度的间歇。但对于小尺度间歇结构的本质还缺乏观测研究。本文分析研究了尺度为24秒的磁场间歇结构,通过对太阳风高速流中约两万个间歇事件的分析,我们发现~86.5%的磁场间歇事件具有旋转间断面的特性,而只有~1.8%的事件具有切向间断面的特性(另外,尚有11.7%的间歇结构的物理特性不能被准确确定)。这一结果与太阳风湍流的数值模拟结果不同,数值模拟显示间歇结构都是切向间断面结构,这可能是由于数值模拟是二维的。 (2)小尺度间歇结构的局地温度升高:在大尺度上,太阳风湍流惯性区串级所提供的能量被用来解释太阳风加热。但是,在小尺度上,串级能量的耗散机制还不清楚。近来,有统计工作认为间歇结构与太阳风小尺度的局地等离子体的加热效应相关,但也有人指出太阳风高速流温度高同时间歇也多,因而前述相关关系并不表明间歇有加热效应。为了解决这一认识上的矛盾,本文对太阳风高速流中,小尺度磁场间歇的局地质子温度升高进行了研究。结果发现,切向间断面类型间歇结构伴随有局地质子温度的升高,而旋转间断面类型的结构则没有局地温度升高的现象。这一结果表明,太阳风湍流耗散可能会发生在小尺度的切向间断面结构区域。然而,由于切向间断面类型的间歇结构在高速流中所占比例较少,因此其对太阳风整体加热可能没有显著的贡献。太阳风湍流耗散加热机制还需进一步研究。 (3)小尺度间歇结构对谱各向异性的影响:太阳风湍流功率谱各向异性是太阳风湍流谱随波矢与局地背景磁场夹角变化的现象,被认为表明太阳风湍流中存在临界平衡串级过程,与湍流的串级耗散过程相联系。我们的工作表明观测到的谱各向异性有另外的产生原因。本文基于小波分析发展了除去不同尺度的间歇结构后计算功率谱的新方法。结果发现,完全去除间歇后,原有的磁场谱和速度谱的各向异性消失。这说明了太阳风湍流小尺度功率谱的各向异性可能由间歇结构引起。这一结果将推动太阳风湍流串级过程的研究。 本文结构安排如下:第一章介绍太阳风湍流和加热效应的基本概念和研究背景,并就当前的研究状况提出问题;第二章介绍与本文工作数据相关的太阳风湍流探测仪器和工作中所用到的数据分析方法;第三章就太阳风湍流中小尺度间歇的物理本质和间歇加热问题展开观测研究,并介绍了一例特殊的旋转间断面类型的间歇结构—大振幅阿尔芬波;第四章就太阳风湍流中的小尺度间歇结构对谱各向异性影响的问题展开观测研究;第五章对全文进行总结。