基于临界平衡假设的太阳风湍流各向异性的观测分析.doc

摘  要

　　　Elsasser于1950年对磁流体方程引入新变量后Goldreich 和 Shirida于1995年提出临界平衡理论假设。并将理论应用于太阳风湍流中得到功率谱各向异性特征和功率谱的谱指标特征。

　　　本文的主要目的是做出速度场的功率谱，进一步检验临界平衡理论假设的正确性与适用性。文中采用了安装在WIND卫星上的磁场探测器MFI和三维等离子体探测器3DP在1995年1月31日所采集到的总磁场和等离子体速度场数据。并且采用基于小波变换的功率谱分析，做出速度场功率谱密度函数图和磁场功率谱密度函数图。其中横轴为局部磁场和太阳径向向外方向的夹角；纵轴为时间尺度。通过功率谱密度函数图的分析可以得出功率谱随角度变化的分布特征。

　　　通过计算机的计算结果表明：当天的速度场功率谱显式出各向同性的特征，同时磁场的功率谱也同样显示出了各向同性的特征。这说明临界平衡理论假设并不是普遍适用的。

　　　从原始数据看，由于速度扰动和速度化磁场扰动高度相关，笔者认为这可能是产生各向同性的原因之一。遗憾的是本文只针对1995年1月31日的数据进行了考察，无法同其他明显存在阿尔文波时间段的功率谱进行比较。同时当功率谱为各向同性时，功率谱谱指标特征也有待进一步探究。

　　

　　　关键词：临界平衡；太阳风湍流；功率谱；小波分析；各向异性；

Abstract

　　　 Goldreich and Shirida in 1995, propose a critical balance of theoretical assumptions. After Elsasser interoduce a new varibles in the MHD equation in 1950. The theory can be applied to the solar wind turbulence characteristics of the anisotropy power spectrum and characteristics of the power spectrum spectral index.

　　　The main purpose of this paper is to make the power spectrum of the velocity field, Further test the accuracy and applicability of the critical balance of theoretical assumptions. This paper uses a magnetic field and plasma velocity field data on January 31, 1995. collected by MFI and 3DP which installed on the WIND spacecraft. And based on wavelet transform power spectrum analysis, to make the power spectral density of the velocity field maps and magnetic field power spectral density map. Where the horizontal axis is the angle between the local magnetic field and solar radial outward direction, the longitudinal axis is the time scale. By the power spectral density maps can be easily observed power spectrum changes with the angle distribution characteristics.

　　　Computational results show that day the velocity field power spectrum shows isotropic characteristics of the magnetic field power spectrum also shows isotropic characteristics. This shows that the theoretical assumptions of the critical balance is not generally applicable.

　　　From the data, highly correlated to the velocity disturbance and the speed of the magnetic field disturbance, I think this may be one of the reasons to produce isotropic. Unfortunately, this paper only examined data for January 31, 1995, can not be compared with other power spectrum when the Alfven waves is apparent existence. And when the power spectrum is isotropic, the characteristics of the power spectrum spectral index also needs further exploration.

　　　

Key words: Critical balance; solar wind turbulence; power spectrum; wavelet analysis; anisotropy;

目    录

  前  言 1

    1      背景介绍 2

 1．1   太阳大气与太阳风 2

 1．2   太阳风及湍流 3

 1．3   阿尔文波 4

 1．4   临界平衡 5

 1．5   太阳风湍流功率谱的各向异性 8

 1．6   卫星介绍. 10

2      数据及数据处理原理 13

 2．1   数据来源及处理过程 13

 2．2   小波分析数据原理 13

        2．2．1  小波分析原理 13

    2．2．2  实际工作中小波分析的运用 14

    2．2．3  功率谱密度PSD 15

 2．3   功率谱随角度的分布 16

3      数据处理及处理结果 18

 3．1   太阳风中的时间序列 18

 3．2   磁场数据处理 19

 3．3   速度场数据处理 20

结  论 21

致  谢 22

参考文献 23

附 录 一 24

附 录 二 32

附 录 三 36