地球磁层边界层结构和动力学的卫星观测研究--《武汉大学》2011年博士论文
地球磁层边界层结构和动力学的卫星观测研究
【摘要】：地球磁层是日地物理中最重要的一个区域之一。磁层中不同性质的等离子体之间的平衡经常导致分离两个相邻的等离子体区的边界的形成。对于边界层的研究可以帮助我们加深对各种磁层活动(例如磁场重联)以及磁层各区域之间耦合过程的认识和理解。磁层边界层中的波动-粒子相互作用对揭示磁层的能量释放与转换机制具有非常重要的作用。为此,本文结合Cluster和THEMIS卫星观测,对位于地球磁层不同区域,不同尺度的边界层的结构和动力学过程进行了较为系统的分析和研究。主要研究内容如下：
1、通过Cluster卫星观测,我们研究了在近磁尾位于等离子体片边界层附近,伴随着磁场重联的慢激波的结构和动力学过程。通过Rankine-Hugoniot激波守恒关系和蒙特卡罗激波拟合方法,我们获得了慢激波的存在证据；通过对伴随着激波的尾向流进行Walen分析,进一步证明了等离子体在越过耗散区附近Petschek型慢激波时被激波所加速。在激波层我们观测到了反流离子,冷离子被激波加速和加热；另外,哨声波和静电孤立波在慢激波附近被发现。研究结果表明这些波动是由在激波附近所观测到的场向电子束所激发的。
2.利用THEMIS卫星观测到的若干弓激波穿越事件来研究弓激波邻近区域的电子双电势层结构(DL)。首次在弓激波的转换区观测到了双电势层结构的存在证据。这些双电势层的平行电场结构伴随着一系列的非线性演化的电子洞。在弓激波转换层内观测到的双电势层,平行电场幅度约为45～90 mV/m,提供70～180 V的电势降,其尺度在90～160个德拜长度的量级。弓激波中观测到的双电势层的这些特性与前人在实验等离子体中观测到的类似。在弓激波中观测到的双电势层对我们进一步认识和理解弓激波中的波动-粒子相互作用和能量耗散过程提供了新的途径。
3.利用THEMIS卫星数据,研究了弓激波转换区和下游的波动。弓激波的转换区和下游区的扰动比较剧烈,主要波动是哨声波和静电孤立波(ESW)。静电孤立波在弓激波的转换区大量存在,伴随着双电势层结构。其特征如下：a)脉宽：弓激波区域观测到的静电孤立波脉冲间隔长短都大于对应的脉宽,说明了静电孤立波的高度孤立性。b)幅度：弓激波的转换区的静电孤立波的幅度高达几百个mV/m。c)结构：在弓激波转换区观测到了各种类型的二维静电孤立波。
4.利用THEMIS卫星高精度电场数据对磁尾静电双电势层做了多事例分析研究。在磁尾磁场扰动区域,主要是等离子体片边界层区域看到了双电势层的存在。在地球磁尾观测到的双电势层,平行电场约为4～40 mV/m,提供40～1430 V的电势降。其尺度在5-65个德拜长度的量级。
【关键词】：
【学位授予单位】：武汉大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2011【分类号】：P353【目录】：
摘要4-6Abstract6-11引言11-14第一章 地球磁层基本结构,磁场重联以及激波14-36 1.1 地球磁层14-16 1.2 磁场重联16-24
1.2.1 磁场重联的基本概念16-18
1.2.2 MHD磁场重联18-19
1.2.3 稳态磁场重联:Sweet-Parker模型和Petschek模型19-22
1.2.4 快速磁场重联22-24 1.3 等离子体波动24-27
1.3.1 哨声波24-26
1.3.2 静电孤立波26-27 1.4 激波27-36
1.4.1 激波的基本概念27-28
1.4.2 激波守恒关系28-32
1.4.3 共面定理32-33
1.4.4 De Hoffman-Teller参照系33-36第二章 卫星仪器36-43 2.1 Cluster-Ⅱ卫星36-39 2.2 THEMIS计划39-43第三章 伴随磁尾磁场重联的慢激波研究43-65 3.1 研究背景43-44 3.2 事件概述44-46 3.3 Walen分析46-48 3.4 慢激波分析48-57
3.4.1 激波穿越50-55
3.4.2 激波拟合方法55-57 3.5 激波附近的波动和粒子特征57-62 3.6 总结和讨论62-65第四章 地球弓激波区域双电势层观测及等离子体波动研究65-90 4.1 简介65-71
4.1.1 弓激波简介65-67
4.1.2 双电势层简介67-69
4.1.3 弓激波区域中的等离子体波动简介69-71 4.2 事件概览71-72 4.3 日事件72-82
4.3.1 准垂直弓激波转换区中的DL的观测与研究74-78
4.3.2 准垂直弓激波附近等离子体波动研究78-82 4.4 日事件82-87
4.4.1 准平行弓激波转换区中的DL的观测研究84-85
4.4.2 准平行弓激波的等离子体波动研究85-87 4.5 总结和讨论87-90第五章 地球磁尾区域双电势层观测研究90-101 5.1 概述90-91 5.2 卫星观测91-99 5.3 总结和讨论99-101第六章 总结和展望101-105参考文献105-117攻读博士学位期间取得的科研成果117-118致谢118
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, September 2001, Pages
A systolic geometric cell decomposition for the space of once-holed Riemann surfaces of genus 2
Section de Math&matiques, Universit& de Gen&ve, Case postale 240, CH-1211 Gen&ve 24, SwitzerlandLet ξ?0 be real. We show that the Riemann surface, of genus 2 with one boundary geodesic of length 2ζ, with the longest systole is isometric to one of three surfaces. These three surfaces are explicitly constructed and they all have exactly nine systoles. This result &almost& solves a major problem in the hyperbolic geometry of numbers, namely, the problem of finding the closed Riemann surface of genus 3 with the longest systole.KeywordsRiemann surface; Systole; Hyperbolic geometry of numbers1. IntroductionThe aim of this paper is a geometric description of the space of (2,1)-surfaces, which are Riemann surfaces, of genus 2 with one boundary geodesic, equipped with a metric of constant curvature &1. In particular, we give a cell decomposition of the Teichm&ller space T(ζ) of (2,1)-surfaces with a boundary geodesic of length 2ζ, for every ζ?0; the decomposition is invariant with respect to the mapping class group Γ(2,1) of (2,1)-surfaces. The decomposition has a number of important applications, including one for closed surfaces of genus 3.Let M&T(ζ). We define three sets of 9 simple closed geodesics of M, we call them of type A, of type B, and of type C, respectively, compare
. Let F be such a set. In
we prove that the lengths of the elements of F determine the corresponding (2,1)-surface uniquely (if F is of type B or of type C) or at least uniquely in a local sense (if F is of type A). It then follows that cl(Min(F))&T(ζ) is a cell of dimension 8 where we define<img class="imgLazyJSB smallImg inlineImage" height="19" width="699" alt="Full-size image (<1 K)" title="Full-size image (<img height="19" border="0" style="vertical-align:bottom" width="699" alt="Full-size image (<1 K)" title="Full-size image ((&cl& stands for &closure&). Moreover, if F&&F fills up, then cl(Min(F&))&T(ζ) is a cell of dimension |F&|&1.Fig. 1.&#xA0;The sets of (nine) geodesics of type A, of type B, and of type C. The picture gives the correct intersection numbers between the geodesics.In
we prove the main result.Theorem A.
Letζ?0. LetM&T(ζ). Then<img class="imgLazyJSB inlineImage" height="35" width="131" alt="Full-size image (<1 K)" title="Full-size image (<img height="35" border="0" style="vertical-align:bottom" width="131" alt="Full-size image (<1 K)" title="Full-size image (whereFranges over subsets of the sets of typesA,B,andCinMwhich fill up, and this is a disjoint union.This yields the desired cell decomposition.The sets of types A,B, or C have the following important property (this is why I call our cell decomposition &systolic&); recall that a systole of a surface is a shortest closed geodesic which is not a boundary geodesic.Theorem B.
Letζ?0. Then there exist surfacesM(A),M(B),andM(C) inT(ζ) such that their set of systoles is a set of typeA, a set of typeB, and a set of typeC, respectively. Moreover,M(A),M(B),andM(C) are unique up to isometry.The proof of
(given in ) is th
is also the main ingredient for the proof of .Cell decompositions of the Teichm&ller space of (g,n)-surfaces (of genus g with n cusps) have been given for every pair (g,n) with n&0, see in particular Harer
and Bowditch/Epstein ; the original ideas go back to Thurston and Mumford in the early 1980s. These cell decompositions are based on triangulations of a (g,n)-surface M such that the cusps of M are the vertices of the triangles. In the case (g,n)=(2,1) this gives 6 triangles. Note that our cell decomposition is combinatorially much simpler since we need only 3 mutually non-equivalent sets (the sets of type A,B, and C) while there are at least 6 mutually non-equivalent triangulations (if (g,n)=(2,1)). has topological and geometric applications. The topological ones include that Γ(2,1) has a finite presentation and that the virtual cohomological dimension of Γ(2,1) is at most 5 (it is exactly 5 by Harer
). More precisely, we proveTheorem C.
(i) LetGbe the following graph. The set of vertices is the set<img class="imgLazyJSB inlineImage" height="17" width="28" alt="Full-size image (<1 K)" title="Full-size image (<img height="17" border="0" style="vertical-align:bottom" width="28" alt="Full-size image (<1 K)" title="Full-size image (defined in Theorem A). Two verticesDandD& are related by a non-oriented edge if and only ifD&D& has 8 elements. Then G is connected.(ii) LetG2be the two-dimensional complex obtained from G by filling in ak-gon for each closed path (of lengthk) in G corresponding to a set<img class="imgLazyJSB inlineImage" height="17" width="115" alt="Full-size image (<1 K)" title="Full-size image (<img height="17" border="0" style="vertical-align:bottom" width="115" alt="Full-size image (<1 K)" title="Full-size image (which fills up, of 7 elements. ThenG2is simply connected.(iii) LetKbe the simplicial complex, obtained fromGandG2by filling in a cell of dimensiondfor each set<img class="imgLazyJSB inlineImage" height="17" width="115" alt="Full-size image (<1 K)" title="Full-size image (<img height="17" border="0" style="vertical-align:bottom" width="115" alt="Full-size image (<1 K)" title="Full-size image (which fills up, of 9&delements. ThenKis contractible and has dimension 5. In the language of buildings, K is a contractible thin chamber complex.
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