【正文】 分類(lèi)號(hào)： 單位代碼： 10300 密 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 2009220558 碩士學(xué)位論文基于全球MHD模式的緊靠磁層頂內(nèi)側(cè)磁場(chǎng)與日下點(diǎn)距離的相關(guān)性研究Study of the dependence of magnetic field just inside the magnetopause on subsolar standoff distance based on the global MHD results申請(qǐng)人姓名： 王 明 指 導(dǎo) 教 師： 裴世鑫 博士 副教授 呂建永 博士 研究員 專(zhuān) 業(yè) 名 稱(chēng)： 空間天氣學(xué) 研 究 方 向： 太陽(yáng)風(fēng)磁層耦合 所 在 學(xué) 院： 數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院 二○一二年六月獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。本論文除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的內(nèi)容外，不包含其他人或其他機(jī)構(gòu)已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果，也不包含為獲得南京信息工程大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū)而使用過(guò)的材料。其他同志對(duì)本研究所做的貢獻(xiàn)均已在論文中作了聲明并表示謝意。學(xué)位論文作者簽名：____________ 簽字日期：______________關(guān)于論文使用授權(quán)的說(shuō)明南京信息工程大學(xué)、國(guó)家圖書(shū)館、中國(guó)學(xué)術(shù)期刊（光盤(pán)版）雜志社、中國(guó)科學(xué)技術(shù)信息研究所的《中國(guó)學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)》有權(quán)保留本人所送交學(xué)位論文的復(fù)印件和電子文檔，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向社會(huì)提供信息服務(wù)。本人電子文檔的內(nèi)容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致。除在保密期內(nèi)的保密論文外，允許論文被查閱和借閱，可以公布（包括刊登）論文的全部或部分內(nèi)容。論文的公布（包括刊登）授權(quán)南京信息工程大學(xué)研究生院辦理。□公開(kāi) □保密（_____年 _____月） (保密的學(xué)位論文在解密后應(yīng)遵守此協(xié)議)學(xué)位論文作者簽名：____________ 簽字日期：_______________指導(dǎo)教師簽名：______________ 簽字日期：______________摘要太陽(yáng)風(fēng)磁層電離層（SMI）是一個(gè)龐大且復(fù)雜的非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的演化和內(nèi)部圈層之間的耦合是空間天氣研究領(lǐng)域中一個(gè)非常重要的內(nèi)容，而磁層頂?shù)奶厥庑再|(zhì)使其在SMI耦合中具有尤其重要的地位。但無(wú)論是天基觀測(cè)還是地基觀測(cè)，都無(wú)法覆蓋整個(gè)SMI范圍，因此，全球數(shù)值模擬是研究這一復(fù)雜系統(tǒng)各圈層耦合的有效手段。本文采用基于全球磁流體力學(xué)（MHD）模型的SWMF模式，將等離子體當(dāng)作導(dǎo)電流體介質(zhì)，通過(guò)數(shù)值模擬方法，研究不同空間天氣條件下，SMI系統(tǒng)中緊靠磁層頂內(nèi)側(cè)磁場(chǎng)與日下點(diǎn)距離的相關(guān)性。文中首先對(duì)全球MHD模型的基本方程、解域與網(wǎng)格、邊值條件和基于MHD模型的SWMF模式及其模擬數(shù)據(jù)做了介紹。然后對(duì)磁層頂做了介紹，比較了現(xiàn)有的幾種模式判斷磁層頂?shù)姆椒ǎⅰ霸诖艑禹斕帲?yáng)風(fēng)在日地連線(xiàn)上的速度接近于零”作為本文判斷磁層頂?shù)囊罁?jù)。最后從SWMF模式出發(fā)，分別計(jì)算了穩(wěn)定太陽(yáng)風(fēng)和亞暴事件中日下點(diǎn)磁層頂內(nèi)側(cè)壓縮磁場(chǎng)與當(dāng)?shù)嘏紭O場(chǎng)磁場(chǎng)強(qiáng)度的比值f，并與Shue用THEMIS觀測(cè)數(shù)據(jù)做的研究成果進(jìn)行了比較。盡管早期的理論認(rèn)為比值f與日下點(diǎn)距離沒(méi)有相關(guān)性，但本文的研究結(jié)果表明，無(wú)論行星際磁場(chǎng)南向還是北向，比值f均與日下點(diǎn)距離成線(xiàn)性關(guān)系，這一結(jié)論與Shue基于觀測(cè)數(shù)據(jù)的研究一致，但比例系數(shù)較??；而且，在相同的日下點(diǎn)距離上，南向行星際磁場(chǎng)時(shí)的比值f比北向行星際磁場(chǎng)時(shí)的比值f小，但南向行星際磁場(chǎng)時(shí)的比例系數(shù)卻大于北向行星際磁場(chǎng)時(shí)的比例系數(shù)，這與Shue的觀測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果一致。關(guān)鍵詞：太陽(yáng)風(fēng)，磁層頂，日下點(diǎn)距離，磁層AbstractSolar wind Magnetosphere Ionosphere (SMI) is a large and plex nonlinear dynamical system, the evolution of the system and the coupling between the internal circle is a very important element in the space weather research field, while the magnetopause is the special nature of the top so that it is a particularly important role in the SMI coupling. But whether spacebased observations or groundbased observations, they can’t cover the entire SMI range, therefore, the global numerical simulation is an effective means to study this plex system of the spheres coupled.This thesis, by using SWMF model based on the global magnetohydro dynamics (MHD) model which take the plasma as a conductive fluid medium, through numerical simulation method, study the dependence of magnetic field just inside the magnetopause on subsolar standoff distance in SMI system in different space weather conditions.The basic equations of the global MHD model, the solution regions, the grids, the boundary conditions, the SWMF mode based the MHD model and the simulation data were introduced first.Then, the magnetopause was introduced and by paring the existing pattern of several methods to determine the magnetopause, we chose the way of the speed of solar wind close to zero on the magnetopause at the SunEarth line to determine the magnetopause in this article.At last we used SWMF model to estimate the ratio (f) of the pressed magnetic field just inside the subsolar magnetopause to the purely dipolar magnetic field in the conditions of the stable solar wind and a substorm. We also pared our numerical results with the research results by Shue with the THEMIS data. Our results show that the ratio f is linearly proportional to the solar standoff distance (r0) for both northward and southward interplanetary magnetic field, which in property is consistent with Shue’s result but the proportionality constant is smaller, although previous theoretical studies show that the ratio f is nearly independent of the subsolar standoff distance. Our results also show that the ratio f is smaller for southward IMF for the same r0 and proportionality constant for southward IMF is larger than that for northward IMF. Both conclusions agree with statistical results from observations by Shue.Keyword： magnetopause, subsolar standoff distance, solar wind, magnetosphereIII目錄第一章 引言 1 1 4 16 第二章 全球MHD數(shù)值模型和SWMF模式 19 全球MHD數(shù)值模型的基本方程 19 全球MHD數(shù)值模型的解域與網(wǎng)格 21 全球MHD數(shù)值模型的邊值條件 22 SWMF模型及本文相關(guān)數(shù)據(jù) 23 第三章 磁層頂判斷的研究 29 29 判斷磁層頂方法簡(jiǎn)介 34 確定本文判斷磁層頂方法 36 確定磁層頂日下點(diǎn)距離 39 第四章 數(shù)值計(jì)算和討論 41 41 =Bg0/Bd0的關(guān)系 43 44 45 46 第五章 總結(jié)與展望 51 參考文獻(xiàn) 53 第一章 引言第一章 引言傳統(tǒng)意義上的“天氣”的物理定義是：瞬時(shí)或較短時(shí)間內(nèi)風(fēng)、云、降水、溫度、氣壓等氣象要素綜合顯示的大氣狀態(tài)；而日常人們所說(shuō)的天氣則是指發(fā)生在對(duì)流層內(nèi)、影響人類(lèi)生活、 生產(chǎn)的中性大氣物理圖象和物理狀態(tài)，例如陰、晴、雨、雪、冷、暖、干、濕等。對(duì)流層頂以上的大氣到底處于什么樣的狀態(tài)，是否會(huì)影響人類(lèi)的生產(chǎn)和生活？隨著空間技術(shù)的發(fā)展，人類(lèi)對(duì)從對(duì)流層頂一直到太陽(yáng)大氣表面這廣闊空間區(qū)域的物理狀態(tài)有了深入的了解，掌握了許多物理現(xiàn)象的規(guī)律。這一區(qū)域既含有中性氣體，又有電離氣體和高能帶電粒子；既存在穩(wěn)定的重力場(chǎng)，又有以各種時(shí)間尺度變化的電磁場(chǎng)。在大約60km以上，中性大氣密度和溫度、電離氣體的電子密度等參數(shù)對(duì)太陽(yáng)變化的響應(yīng)迅速，幅度變化大。這些參數(shù)迅速而大幅度的變化還將進(jìn)一步衍生許多效應(yīng)，對(duì)地面和空間的技術(shù)系統(tǒng)產(chǎn)生明顯的影響，甚至使之失效。因此，人們需要像關(guān)心日常天氣那樣關(guān)心對(duì)流層以上的環(huán)境狀態(tài)。這樣，“天氣”概念所涉及的空間范圍自然要擴(kuò)展?！翱臻g天氣”的概念就是在這一背景下產(chǎn)生的?？臻g天氣是一個(gè)很新的概念，最早出現(xiàn)于1996年，其的內(nèi)容和含義仍在發(fā)展中，按照美國(guó)《國(guó)家空間天氣戰(zhàn)略計(jì)劃》的定義：空間天氣指的是 “ 太陽(yáng)上太陽(yáng)風(fēng)、磁層、電離層和熱層中可影響天基和地基技術(shù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行和可靠性，危及人類(lèi)健康和生命的條件或狀態(tài) ”。這個(gè)定義強(qiáng)調(diào)了空間天氣消極的一面。實(shí)際上，與日常所說(shuō)的天氣一樣，空間天氣也有好、差和惡劣之分。所謂好的空間天氣，指太陽(yáng)、行星際空間、磁層、電離層、高層大氣處于平靜的狀態(tài)，有利于運(yùn)載火箭發(fā)射和衛(wèi)星正常運(yùn)行；所謂差的天氣，是指上述區(qū)域具有不同程度的擾動(dòng)；而惡劣的空間天氣，就是各種“空間暴”，如強(qiáng)的日冕物質(zhì)拋射、大耀斑、高速太陽(yáng)風(fēng)、磁暴、亞暴、電離層突然騷擾等。與空間天氣有關(guān)的一些物理現(xiàn)象也是特別有趣的，如在極區(qū)出現(xiàn)的美麗的極光等。研究空間天氣最重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)方面效益，在于通過(guò)合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)或有效的警報(bào)和預(yù)報(bào)系統(tǒng)避免空間天氣事件造成不良后果。從時(shí)間尺度的角度考慮，“天氣”事件應(yīng)是短期的狀態(tài)變化。眾所周知，11年太陽(yáng)周是最重要的空間氣候周期，而27天重現(xiàn)性是空間天氣最易預(yù)報(bào)的特征之一，不妨將其定為空間天氣時(shí)間尺度的上限。歷史上，第一個(gè)有記載的空間天氣損害技術(shù)系統(tǒng)的事件發(fā)生在1847年3月19日，在英格蘭觀察到電報(bào)針自發(fā)地偏轉(zhuǎn)。同年9月24～25日，最大的偏轉(zhuǎn)發(fā)生在極光出現(xiàn)時(shí)。1859年8月28日到9月2日，出現(xiàn)極光，在加拿大電報(bào)站間的通信完全中斷。在紐約、華盛頓等城市也出現(xiàn)類(lèi)似現(xiàn)象。在法國(guó)，9月2日一整天，所有的電報(bào)業(yè)務(wù)受到阻礙。1872年2月4日，出現(xiàn)歷史上所知最大范圍的極光。在此期間，地電流得到不尋常的發(fā)展。在德國(guó)，所有的電報(bào)線(xiàn)受到影響，科隆與倫敦間的通訊長(zhǎng)時(shí)間不能進(jìn)行。在英格蘭、法國(guó)、澳大利亞、意大利等國(guó)也觀測(cè)到地電流，用海底電纜進(jìn)行通訊也受到阻礙，特別是從里斯本到直布羅陀、蘇伊士到亞丁、亞丁到孟買(mǎi)的線(xiàn)路。第一個(gè)有記載的磁暴影響電力系統(tǒng)的事件發(fā)生在1940年3月24日，美國(guó)和加拿大的電力公司報(bào)告了磁暴期間的電壓降、無(wú)功功率大的擺動(dòng)等效應(yīng)。第二次世界大戰(zhàn)期間，英格蘭的無(wú)線(xiàn)電操作員確信，他們的高頻無(wú)線(xiàn)電通訊中斷是由于敵人的干擾。這些相關(guān)事件是空間天氣效應(yīng)的早期實(shí)例。今天，人類(lèi)對(duì)空間天氣已有深入的了解，從太陽(yáng)表面擾動(dòng)的產(chǎn)生，到對(duì)地球空間的一系列影響，現(xiàn)在都積累了豐富的知識(shí)。然而，“空間天氣”一詞過(guò)去沒(méi)有被公眾所了解，這一方面是由于當(dāng)時(shí)空間技術(shù)主要用于軍事，