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地球与行星物理

ISSN  2096-3955

CN  10-1502/P

姚淑涛,史全岐等: 近地空间小尺度磁洞的统计研究

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近地空间小尺度磁洞的统计研究

姚淑涛,史全岐等

山东大学空间科学研究院

近地空间的环境非常复杂,充满了来自于太阳与地球的磁场和等离子体。在过去几十年中,人们发现这样的环境中经常存在大量的磁场空洞区域。早先的研究将这种现象称之为“磁洞”。卫星在经过这些区域时,会探测到磁场在短时间内迅速地下降。这种磁洞的形态多样,产生机制丰富,在过去几十年中被科学家们广泛关注。

早先,卫星观测到的磁洞尺度很大,可以达到地球半径的级别,有几十到几百个质子回旋半径甚至更大。而借助于近十年来的高精度卫星数据,人们在近地空间内发现了只有一个质子回旋半径(几十公里)甚至几个电子回旋半径的“小尺度磁洞”。这类小尺度磁洞中存在着丰富的粒子加速、能量转换和波粒相互作用等重要的物理过程,掀起了国内外的研究热潮。图1展示了一种典型的电子涡旋类型磁洞,可以看到磁场在0.2秒内迅速下降了约50%。这种磁洞往往伴随着电子的抗磁漂移,也被认为是湍流在离子尺度的一种体现。


图1. 小尺度磁洞示意图。背景的示意图表示一种电子涡旋类型的磁洞,线图的磁场观测来自MMS卫星2015年12月11日的数据。

虽然前人对小尺度磁洞的特性进行了大量研究,但仍有若干重要问题有待进一步解决。例如:1. 小尺度磁洞是产生于近地空间,还是由太阳风从远处携带入近地空间?2. 小尺度磁洞如何产生,及其产生环境是怎样的?3. 小尺度磁洞在近地空间内有怎样的时空分布特征?带着这些问题,本文借助磁层多尺度(Magnetospheric Multiscale,MMS)卫星计划,对近地空间内的小尺度磁洞进行了统计研究。从2015年9月至2020年3月,共计统计了约20万个小尺度磁洞结构。


图2. (a)小尺度磁洞发生率分布。颜色表示在1RE2范围内每5分钟内卫星观测到的小尺度磁洞的数量。(b-d)太阳风、磁鞘与磁尾三个区域内的典型事例。

图2(a)展示了这些事件的分布特征,并在图2(b-d)列举了太阳风、磁鞘与磁尾三个区域内的典型事例。从图2(a)中可以清楚地看到,小尺度磁洞在磁鞘中的发生率远高于在太阳风中的发生率,这表明绝大部分结构是在磁鞘中局部产生的,而不是由太阳风携带入磁鞘的。此外,在磁鞘中,小尺度磁洞在准平行激波下游区域的发生率,明显高于准垂直激波下游区域。进一步的分析表明结构的产生与湍流环境有关。在磁尾,统计结果显示小尺度磁洞具有明显的晨昏不对称分布(昏侧发生率更高),可能是由磁尾磁重联与等离子体流偏转引起的。研究同时发现,当接近磁层顶时,小尺度磁洞的深度随着时间尺度的增大而减小,而其空间尺度在磁鞘日下点附近要比侧翼处小(图3)。这可能是磁鞘独特的压力环境导致的,有待于将来进一步研究。


图3. 磁鞘内小尺度磁洞的特征分布。(a-b)时间与空间尺度。(c)磁洞深度。(d-e)背景等离子体beta与马赫数。

近年来大量研究表明,小尺度磁洞在近地空间环境中扮演着重要的角色。因此对小尺度磁洞的产生源区、产生条件以及分布特征的研究非常必要。然而早先的研究大多倾向于对单个事例的特性分析,很难给出全局的分析。本文的研究时间覆盖范围广、事件基数大,从统计学的角度上给出了明确的特征,得到了小尺度磁洞在近地空间发生率与时空尺度的分布。研究发现,绝大部分小尺度磁洞产生于近地空间,并与湍流环境有密切关联。这些发现对于近地空间环境在更小尺度,微观层面的探索具有重要意义。

论文链接:http://doi.org/10.26464/epp2021011

Yao, S. T., Yue, Z. S., Shi, Q. Q., Degeling, A. W., Fu, H. S., Tian, A. M., Zhang, H., Vu, A., Guo, R. L., ... and Sun, W. J. (2021). Statistical properties of kinetic-scale magnetic holes in terrestrial space. Earth Planet. Phys., 5(1), 63–72.

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