地球物理学报  2010, Vol. 53 Issue (2): 231-236   PDF    
磁尾等离子体片中周期性高速流相伴随磁场超低频波
王志强 , 曹晋滨     
1. 中国科学院空间天气学国家重点实验室, 北京 100190;
2. 中国科学院研究生院, 北京 100049;
3. 北京航空航天大学宇航学院, 北京 100191
摘要: 本文利用Cluster卫星2004年11月8日的观测数据,分析了磁尾等离子体片中与地向周期性高速离子流相伴随的ULF波.结果显示周期性高速流的速度波动与磁场和温度中的ULF波同时出现、同时增强、同时消失,而且波动的频率都集中在60~70 mHz.这说明磁场和温度ULF波与周期性高速流密切相关,周期性高速流是ULF波产生的来源.高速流波动的相位与磁场波动的相位大致反相关,与热离子温度波动的相位正相关,同时磁场波动与热离子温度波动呈相位反相关的特性.最小方差法分析的结果显示虽然波传播方向有地向分量,但其主要传播方向是向等离子体片中心传播,并与周期性高速流速度方向垂直.以上观测说明是高速流的周期性变化产生了磁场在Pi1频率范围内的ULF波.
关键词: 周期性高速流      ULF波      Pi1      磁尾等离子体片     
ULF waves associated with the periodical high speed flows in magnetotail plasma sheet
WANG Zhi-Qiang, CAO Jin-Bin     
1. State Key Laboratory for Space Weather, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China;
2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. School of Astronautics, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100191, China
Abstract: In this paper, using the data of Cluster on 8 November 2004, we analyze the ULF wave associated with earthward periodical high speed flow in the plasma sheet. The results show that the ULF waves in the magnetic field and temperature appear, enhance and end at the same times with those of periodical high speed ion flow. Particularly, the oscillation frequencies in ion flow velocity, magnetic field and ion temperature are all between 60~70 mHz, i.e. in the frequency range of Pi1. These observations show that there is a close correlation among the ULF wave in the magnetic field, temperature and periodical high speed flow. The oscillations of the high speed flow is approximately out of phase with the ULF wave in the magnetic field, and in phase with the ULF wave in the temperature. The results of Minimum Variance Analysis show that although the wave propagation direction includes earthward component, the main propagation direction is towards the centre of plasma sheet and perpendicular to both the high speed flow velocity and magnetic field. All these observations indicate that the periodical high speed flow can generate the ULF waves at the same frequency..
Key words: Periodical high speed flow      ULF wave      Pi1      Plasma sheet     
1 引言

地球磁层中的超低频(Ultra Low Frequency,ULF)波是磁层内频率范围在1mHz~3Hz的等离子体波.地面观测地球磁场ULF波也称为地磁脉动.激发ULF波的机制包括向日面的太阳风动压脉冲、磁层顶的太阳风剪切、磁重联、Kelvin-Helmholtz表面波,亚暴场向电流、磁层高速流,以及磁层内部的多种等离子体不稳定性(能量粒子分布不稳定性,如漂移-回旋共振不稳定性、drift-mirror不稳定性等).ULF波在地球磁层内部的物质、动量和能量输运过程,以及粒子加速过程中起着重要的作用.

近10年来由磁尾等离子体片中高速流激发的地磁脉动现象引起了人们的关注.等离子体片中高速流一般是指发生在磁尾等离子体片中速度超过400km/s的高速离子流.它不仅存在于磁尾等离子体片边界层中[1],而且存在于等离子体中性片中[2~6].但其对流特性(垂直速度与总速度的比值)随着远离中心等离子体片(等离子体β值减小)而减小[7].磁尾等离子体片高速流更频繁地发生在磁层扰动期间(例如亚暴)[3, 8].

高速流还可以在地面和空间激发ULF波,例如Pi2和Pc5.Pi2脉动是地磁场的不规则脉动,周期一般在40~150s之间,持续时间为5~10 min,最长不超过25min.不同纬度的Pi2脉动有不同的产生机制.观测证实等离子体片高速流既可以产生与亚暴起始时Pi2类似的瞬态响应Pi2[9, 10],也可以通过压缩性脉冲产生空腔模振荡的Pi2[10].此外周期性高速流通过压缩性脉冲还可以直接驱动地面Pi2[11].

最近一些学者发现高速流还可以激发KHI(Kelvin-Helmholtz Instability,KHI),产生Pc5脉动.在磁层空间中KHI是激发PC5脉动(1~10mHz,150~600s)的一个重要方式,往往发生在太阳风与日侧磁层顶或者磁层侧翼的相互作用中.路立等[12] 2002年利用MHD模拟,发现在考虑了等离子体片区存在源于电离层的氧离子的情况下,离子剪切流可以激发KHI.Volwerk等[13]指出在等离子体片中流道(plasma flow channels)的边界处也存在这样的ULF波动.该事件中卫星在尾瓣观察到磁场偶极化,而且磁场中3.3mHz的线性极化的ULF波以接近当地阿尔芬速度在流道中传播,同时在地磁台站中观测到该ULF波.Volwerk等[14]对同一事件做进一步分析发现流道的边界处发生的KHI是产生此ULF波的源,这也是第一次利用Cluster和DSP/TC1在地球磁尾的高速流中观察到KHI.同时Volwerk指出KHI对磁尾高速流减速和刹车可能起重要作用.这种在离子流流道中由于速度剪切产生的KHI或其他ULF波在其他空间区域中也存在,例如地球内磁层[15, 16].

本文利用Cluster卫星观测数据,首次发现磁尾等离子体片中伴随周期性高速流的Pi1脉动.这个高速流持续10 min,也具有相同频率的振荡特征.同时磁场中Pi1脉动的相位与高速流振荡的相位大致相反.两者的高度相关说明振荡的高速流可以激发频率在Pi1范围的ULF波.文中所用的等离子体流数据来源于Cluster卫星上的CIS(Cluster Ion Spectrometry)仪器[17].

2 观测

2004年11月8日05:14UT,Cluster卫星位于近地磁尾昏侧,其中C1位于磁尾(-7.84,10.49,2.18)RE处.图 1给出了Cluster C1、C2、C3、C4四颗卫星在GSM坐标系的位置和运动方向.图 1a1b分别给出卫星位置在X-YX-Z平面上的投影,图 1c1d分别给出图 1a1b的局部放大图,这样能够更好地表示四颗卫星的相对位置.从图中可以看出Cluster卫星位于磁尾北侧2RE附近,并正在朝等离子体片中心方向移动.

图 1 ClusterC1、C2、C3、C4卫星在GSM坐标系下的位置和运动方向 (a)和(b)分别给出卫星在X-YX-Z平面的投影;(c)和(d)给出四颗卫星的相对位置. Fig. 1 The locations and moving directions of Cluster C1, C2, C3, C4 in GSM coordinates (a) and (b) show the projections in the X-Y and X-Z planes; (c) and (d) show the relative positions of the four satellites

图 2给出05:10~05:30UT期间,Cluster卫星观测到的离子流速度、磁场、离子温度、离子数密度、等离子体β值和AE指数.其中C2和C4由于缺乏数据,其探测的离子流速度未画出.图 2中黑色虚线区间(05:14~05:24UT)表示高速流出现的区间,阴影区(05:18~05:22UT)表示高速流峰值出现的区间.C1、C2、C3、C4分别用黑、红、绿、蓝颜色表示.从图中可以看出05:14UT离子流速度突然增大并出现剧烈波动,但总速度不高,并伴随有间歇性尾向流.离子温度、数密度、等离子体β值同时出现增大,说明卫星开始从尾瓣区进入等离子体片区.从05:18UT开始离子流速度迅速增长达到600km/s,持续4min后恢复到之前状态.整个高速流持续了将近10min,在05:24UT时结束.这一时期的磁场和温度中都存在ULF波动.图 2c显示高速流的速度有明显的昏侧分量.图 2f显示高速流还具有较大的垂直于磁场速度.依据高速流的流场和磁场夹角特征可以将高速流分为场向型和对流型,当流场和磁场的夹角取值0°~45°和135°~180°时为场向型高速流;当流场和磁场的夹角取值45°~135°时为对流型高速流.所以该高速流是对流型的,而不是场向型的.在高速流出现期间,地磁活动非常剧烈,其AE指数甚至达到1500nT.

图 2 Cluster卫星2004年11月8日05:10~05: 30UT期间观测到的离子流速度VVXVYVZ、平行和垂直于磁场的速度VparaVperp、磁场强度BBXBYBZ、离子温度T、离子数密度N、等离子体β值和AE指数 Fig. 2 Theionflow velocityV, VX, VY, VZ, parallel velocity Vpara, perpendicular velocity Vperp, magneticfield B, BX, BY, BZ, ion temperature T, ion numerical density N, plasma β and AE index during the interva l05:10~05:30UT on 8 November 2004 observed by Cluster

为了分析其中波动的特征,我们对磁场和速度数据进行滤波处理.首先通过频谱分析找到磁场和速度波动能量的峰值,它们都集中在60~70 mHz.然后选取Cluster C1卫星数据进行了高通滤波(频率大于50mHz),图 3给出了速度和磁场的总量及三分量滤波后的数据.从图中可以清楚地看出,在05:14UT高速流开始波动的时候,磁场也开始出现ULF波,在高速流峰值出现期间(阴影区),总磁场、总速度及各分量都同时出现了更加剧烈的波动,不仅出现的时间段相同,两者的波形也非常相似.这说明磁场ULF波是与周期性高速流密切相关的.此外,图 3i显示温度的波动与离子流和磁场的波动也是密切相关的.

图 3 ClusterC1卫星2004年11月8日05:10~05:30UT期间,离子流速度、磁场及温度高通滤波(频率大于50mHz)后的图 Fig. 3 Thehigh-pass filtered (f > 50mHz) ion flow velocity, magnetic field and temperature recorded by Cluster C1 during the interval 05:10~05:30UT on 8 November 2004

Volwerk等人曾经研究过与高速流伴随的磁场ULF波.并认为高速流流道的速度剪切产生的KHI是ULF波的产生机制.但Volwerk指出流道边界发生KHI的条件是两介质之间的剪切速度接近两倍的阿尔芬速度VA.而在本事件中,Cluster C1卫星计算得到的VA为2300~6800km/s,平均值为3900km/s,远大于高速流的速度,因此在流道边界不可能发生KHI,可见与高速流伴随的ULF波是由于其他的激发机制造成的.另外,在太阳风中α粒子和质子之间的相对流动可以激发磁声波和斜向的阿尔芬波,而且阿尔芬不稳定性的速度阀值要低于磁声波不稳定性.线性弗拉索夫理论以及混合模拟[18~20]都对这种束流不稳定性进行过研究,但一般来讲,要求质子束流与背景等离子体的平均相对速度(Vpp)平行于背景磁场方向,并满足1≤Vpp/VA≤2.本文中的高速流为对流型,垂直于背景磁场不属于束流,而且速度远小于阿尔芬速度不满足上述激发条件,因此不可能产生这种束流不稳定性.

我们对图 3中高速流峰值出现期间的波动情况进行了更详细的分析.图 4显示了05:17~05: 23UT期间,高通滤波(频率大于50 mHz)后C1探测到的离子流总速度(a),总磁场(b)和温度(c).图中阴影区(05:18~05:22UT)表示高速流峰值出现的时间段,红色和蓝色虚线分别表示总速度波动波峰和波谷的位置.图 4b图 4a颜色一致的虚线表示磁场波动与速度波动符合相位相反的位置,绿色虚线表示不符合的位置;图 4c图 4a颜色一致的虚线表示离子温度波动和速度波动符合相位相同的位置,绿色虚线表示不符合的位置.图 4显示高速流中速度、磁场强度和温度波动具有相同的波动周期.波形比较的结果显示在绝大部分时间里磁场波动与速度和温度波动相位相反.不符合该特征的区域05:19UT附近,从图 2中可以看到在这个区域磁场YZ分量均发生了剧烈变化,在1 min时间里,BY分量从0迅速变化到-70nT.如此剧烈扰动不可能是由于卫星运动引起的空间变化产生,只能是时间变化.这说明亚暴期间磁层磁场位形发生了剧烈扰动,这个剧烈扰动使观测到的波形发生了相位跳变.温度和磁场相位相反的特征说明在高速流激发波动的机制中热压和磁压始终保持力学上的平衡,所以观测的波很可能是磁流体力学波.

图 4 2004年11月8日05:17~05:23UT期间,高通滤波(频率大于50mHz)后的ClusterC1卫星离子流总速度(a)、总磁场(b)和温度(c) Fig. 4 Thehigh-pass filtered (f > 50 mHz) ionflow total velocity (a), total magnetic field (b) and temperature (c) recorded by Cluster C1 during the interval 05:17~05:23UT on 8 November 2004
3 波动分析

Cluster四颗卫星的磁场波动情况基本相同.所以我们首先选取C1卫星的磁场数据进行了功率谱密度分析.

图 5给出了05:10~05:25UT期间C1探测到的离子流总速度、总磁场及其各分量的功率谱密度图. 图 5显示速度和磁场的波动能量都集中在高速流出现期间(黑色虚线区间),峰值能量出现在高速流峰值出现的期间(阴影区),这与图 3图 4的结论相吻合.离子流速度和磁场波动具有相同的频率,其峰值频率的范围在60~70 mHz之间,对应于周期14~16s,属于Pi1(1~40s)脉动.从图中还可以清楚地看出,这种波动主要出现在BXBYVXVY这四个分量上.VZBZ分量的波动频率特性与上面四个分量的波动频率特性明显不同.磁场ULF波随着周期性高速流的出现而出现、增强而增强、消失而消失,说明周期性高速流可以激发同样周期的磁场ULF波.

图 5 2004年11月8日05:10~05:25UT期间,ClusterC1卫星观测到的离子流总速度、总磁场及其各分量的功率谱密度图 Fig. 5 Power-spectral densities of the ion flow velocity and magnetic field for Cluster C1 within the interval 05:10~05:25UT on 8 November 2004

我们还利用最小方差分析法[21, 22](Minimum Variance Analysis)计算磁场协方差矩阵的本征值和本征向量,最小本征值对应的本征向量即是波的传播方向.但是计算的波矢量有180°的不确定性.这种方法的优点是利用单颗卫星即可计算波矢量,缺点是对于线性极化波会出现很大的误差,原因是中间和最小本征向量的简并[23].为了去除180°的不确定性,可以对比两颗邻近的卫星,起始时间的差别决定在卫星坐标系中波传播的方向.

对C1在高速流峰值出现期间(05:18~05:22UT)的磁场数据做最小方差分析,再考虑到波起始在不同卫星之间的时间差,可以确定波的传播方向也即最小本征值对应的本征向量为(0.30,0.39,-0.87).在05:18~05:22UT时间段,平均磁场矢量为(37.6,-63.1,-11.4)nT,平均速度矢量为(232.9,178.7,168.9)km/s.波的传播方向与背景磁场的夹角大约为92°,与高速流速度矢量的夹角大约为91°.其他三颗卫星给出的结果与这个结果基本类似.所以这个波是地向传播的准垂直的波.值得注意的是这个波有较大的-Z方向传播分量,这与图 5中磁场ULF波主要存在于BXBY分量的结论是一致的.因为Cluster位于磁尾北侧等离子体片中,所以这个波还在向等离子体片的中心传播.

4 讨论和结论

本文利用Cluster卫星的观测,分析了磁尾北侧等离子体片中与地向周期性高速离子流相伴随的磁场和温度ULF波.结果显示周期性高速流的速度波动与磁场和温度中的ULF波同时出现、同时增强、同时消失,而且波动的频率都集中在60~70mHz,即在Pi1脉动频率范围,这说明周期性高速流和磁场ULF波具有很大的相关性,周期性高速流是磁场ULF波产生的来源.对高速流峰值期间的离子流速度、温度和磁场波动位形的进一步分析发现高速流的波动与磁场的波动大致呈相位反相关的特性,与离子温度的波动呈相位正相关的特性,同时磁场波动与离子温度的波动呈相位反相关的特性.这些特性反映了等离子体片高速流中流速、温度和磁场之间的关系.我们利用最小方差分析法和Cluster四颗卫星对波的观测确定了波的传播方向,结果表明该ULF波在垂直于磁场和流速的方向上传播.值得注意的是虽然波传播是地向的,但其主要是向等离子体片中心方向传播.

关于周期性高速流中磁场波动的产生机制,我们根据Volwerk的结论,初步分析排除了发生Kelvin-Helmholtz不稳定性的可能性.目前最有可能的产生机制是高速流的周期性导致了卫星观测到的磁场ULF波动.因为等离子体片高速流伴随着离子温度的升高,所以周期性等离子体高速流伴随着温度的周期性变化.由于等离子体磁压和热压平衡的约束,等离子体温度的周期性变化引起了磁场的周期性变化,从而产生了磁场在Pi1频率范围内的ULF波.

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