基于MESSENGER观测的水星磁层亚暴演化特征的分析研究

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作为磁层扰动基本模式的磁层亚暴,被看作是理解宇宙中等离子体空间能量释放过程的一个理想原型,是空间物理学界一直广受关注的研究课题。水星是除地球外唯一一个拥有内禀磁场的类地行星。因此,对水星磁层亚暴演化过程的研究有助于帮助人们理解不同行星磁层中的能量释放过程。本文利用MESSENGER四年的在轨观测数据对发生在水星磁层中的亚暴相关现象进行分析研究。我们找出了发生在水星磁尾等离子体片处的水星亚暴事件,对其增长相和膨胀相阶段的持续时间、磁通量变化以及空间分布进行了统计研究。分析结果发现:水星亚暴增长相和膨胀相平均持续时间分别为82.68 s、94.36 s,仅为地球磁层亚暴对应相位持续时间的1/100-1/50。水星亚暴能量卸载前开放磁通量的数值范围非常大,这表明在水星亚暴过程中,不存在能量卸载的开放磁通量阈值,这会导致在水星磁层发生能量快速装卸载过程。水星亚暴期间所释放的平均磁通量约占水星总磁通量的11%,远远高于地球亚暴过程期间的2.6%,这说明水星亚暴对行星开放磁通量的影响远超地球。在水星南半球与等离子体片昏侧观测到更多的水星亚暴事件;再将水星亚暴事件触发位置的晨昏分布与持续时间和磁通量变化相结合,发现触发位置位于等离子体片昏侧的水星亚暴事件平均持续时间以及磁通量释放量都大于晨侧发生的水星亚暴,但其磁通量释放率是一致的。我们认为触发位置在晨昏两侧的水星亚暴过程的机制是相同的,其晨昏差异是由于晨昏两侧强磁活动以及不同的磁压导致。我们首次在水星磁尾等离子体片处观测到水星亚暴膨胀相阶段出现了能量的多次释放现象并观测到一次与地球磁层偶极化特征更趋一致的连续性偶极化锋面事件。在2014年9月30日的水星亚暴事件中,观测到了三次依次递增的磁场偶极化现象,在此期间伴随着磁场能量的释放。我们提出造成这一现象的可能原因是在水星中远磁尾处发生了多次磁重联过程,其产生的爆发性整体流(BBF)携带着大量等离子体在近水星磁尾发生堆积,造成近水星磁尾磁场的多次全球性偶极化。造成磁尾等离子体片处出现的连续性偶极化锋面的原因,我们认为是由远磁尾处发生的多次强度较弱的磁重联活动导致,产生的BBF携带的等离子体和能量较少并不足以驱动全球性的水星磁层亚暴过程。本论文的分析结果有助于进一步认识水星磁层亚暴演化过程的相关特性,同时为将来开展更多的比较行星磁层物理学研究打下基础。
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