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磁层亚暴是地球空间最重要的能量输运和耦合过程，平均每天发生4次，每次从太阳风输入相当于一个5-6级地震的能量。几十年来亚暴爆发机制一直是日地物理学的一个前沿核心课题。目前亚暴的物理模型主要分为近地中性线类的中磁尾触发型和近地电流中断类的近磁尾触发型模型。前者以改进的近地中性线模型为代表，强调中磁尾的磁重联是亚暴触发的机制；后者以近地电流中断模型为代表，强调亚暴触发的关键机制在近磁尾。为了检验不同模型对亚暴过程预言的正确性，我们结合亚暴期间高速流和重联的观测，深入研究亚暴相关现象之间的时序及可能联系。
ClusterⅡ卫星是欧空局2000发射的用于探测磁尾及磁层顶等不同磁层区域中小尺度结构及物理过程的4颗卫星组成的卫星簇，其远地点在夏秋季节可以到达中磁尾19RE附近，为分析亚暴期间中磁尾现象提供了丰富的高精度数据。我们使用2001年——2003年7——10月份的ClusterⅡ磁尾等离子体片穿越期间的数据做统计研究，分析了中磁尾的现象和亚暴之间的相关性。当数据很典型或者刚好有多种亚暴现象的观测数据时，我们做了详细的个例分析。
地球空间双星(DSP)是我国发射的磁层探测卫星。DSP和ClusterⅡ相配合，实现了人类第一次地球空间6点探测，开始了磁层近磁尾的物理过程探测的新纪元。DSP/TC1的远地点为～13RE，卫星上携带了若干和ClusterⅡ上相同的仪器，使得我们可以在相同的观测条件下比较不同位置磁层物理过程的时间及物理参数之间的差异。我们选择ClusterⅡ和TC1在大致同一卫星——地球连线上的观测数据，以探索可能的同一物理过程在不同位置的表现。由于这种联合观测受卫星轨道和亚暴发生率的限制，到目前为止不能构成理想的统计研究。本论文选取若干典型事件做个例分析，结合地面和空间遥感成像以及其它卫星的观测，得到磁尾大范围磁尾物理过程的图像。论文主要内容如下：
1、亚暴膨胀相发展的两个阶段研究
利用ClusterⅡ多卫星观测了2001年9月15日磁尾重联发展和亚暴极光活动，通过对重联入流区电磁场和密度以及出流区速度观测，估算重联率，证实了至少一部分亚暴膨胀相有两个突发阶段的观点，并明确了亚暴不同突发阶段和磁尾重联具有很好的对应关系。高密度等离子体片区域的磁力线磁重联开始于0001UT之前，平均重联率约00：033UT，而初始极光增亮出现在00：0238UT，并维持在极光椭圆赤道侧边界附近。这个过程持续了大约12分钟左右。随着重联的进行，低密度等离子体逐渐进入重联区域，直到00：14UT，重联率从0.056迅速增长到0.150。此时极光增亮也在00：14：54UT再次出现并开始极向扩展。
2、磁层尾瓣持续磁重联的观测
当行星际磁场持续南向时，磁尾尾瓣区积蓄大量的磁能，出现强的晨昏电场。此时中磁尾磁重联进行得深入持久，在等离子体片闭合磁场和等离子体被带出重联区之后，尾瓣区的磁场和等离子体不断进入重联区，这种重联过程称之为“持续尾瓣重联”(CLR)。分析2001～2003年期间欧空局Cluster星簇对中磁尾的观测数据，发现CLR除导致磁场形态改变和产生高速流外，重联区出现空泡，多数空泡中等离子体密度和温度下降两个数量级(少数为一个数量级).空泡结束后，密度较重联前低，温度略有升高。CLR的持续时间一般为几十分钟，它同行星际磁场持续南向发生的强亚暴有很好的相关性。
3、亚暴期间磁场偶极化尾向传播研究
我们利用TC1、Cluster和Polar数据结合极光和同步高度及地磁的观测，研究了2004年9月14日17：30UT至19：30UT时间段的亚暴偶极化过程。此前行星际磁场持续南向几个小时。大约在18：03UTCluster观测到了持续尾瓣重联的开始(曹馨等，2005；张辉等，2005；Pu等，2005)。中低磁纬地磁台站从18：23UT开始观测到Pi2信号，IMAGE卫星的远紫外(FUV)宽带成像仪(WIC)与此同时观测到了极光增亮，这些标志着亚暴突发(Onset)的开始。两分钟之后，同步高度的LANL-02A在子夜附近观测到了明显的能量电子增强(Injection)事件，而TC1在18：27UT左右在磁尾(-10,-2，0)RE(GSE)观测到了磁场Bx的突然下降，伴随着等离子体压强和温度的突然增加及磁场的强烈扰动。在(-16，1，3)RE(GSE)的Cluster上相同的仪器观测到相同的现象，只是比TC1观测到的晚大约23分钟，在18：50UT左右。虽然Polar在更靠近地球的较高纬度(～7.5，3.5，-4.0)RE(GSE)附近，也在18：55UT左右观测到了这种磁场偶极化现象。以上的观测时序表明TC1、Cluster观测到的磁场偶极化比亚暴偶极化初始发生分别晚4和23分钟。波动分析发现它们观测到的磁场偶极化具有非常相似的波形，并且都具有1.3～1.5分钟的特征周期。这说明偶极化由近磁尾向中磁尾传播。详细计算表明偶极化源区的位置大约在X=-7.7REto-8.6RE，而传播速度大约为70公里/秒。在这个事件中亚暴的物理图像可能是中磁尾的近地重联产生的地向高速流到达近磁尾，为近磁尾的亚暴触发创造了条件；亚暴在近磁尾触发之后，磁场偶极化锋面向中磁尾传播。