行星際磁場擾動的Tsallis統(tǒng)計分布.pdf

1、行星際太陽風(fēng)是一個高度非線性,不均勻的開放系統(tǒng),且在很大范圍的空間或時間尺度上具有分形與多重分形結(jié)構(gòu)。對于這樣一個處于不平衡態(tài)的系統(tǒng),傳統(tǒng)的B—G統(tǒng)計力學(xué)一般無法適用。Tsallis統(tǒng)計力學(xué)是一種以非廣延性熵為基礎(chǔ)的廣義統(tǒng)計力學(xué),由非廣延性熵的表達式所推導(dǎo)出的Tsallis分布函數(shù)是對經(jīng)典B—G統(tǒng)計力學(xué)下高斯分布的推廣。Tsallis分布函數(shù)適用描述處于非平衡態(tài)下的復(fù)雜系統(tǒng),如長程相互作用,長程微觀記憶,或者具有多分型結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。Tsa

2、llis分布函數(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于描述太陽風(fēng)中速度與磁場強度差值的分布,并被證實適用于很大時間尺度范圍。Tsallis分布函數(shù)具有兩個關(guān)鍵參數(shù)ω,q,其中q是刻畫系統(tǒng)復(fù)雜度以及非廣延性的參數(shù)。這兩個參數(shù)能夠量化概率分布的形狀,使不同條件下的分布可以定量比較。通過對太陽風(fēng)參數(shù)的Tsallis統(tǒng)計分析,可以幫助人們深入認識太陽風(fēng)擾動的特征及其演化規(guī)律。
　　 我們利用分布在不同日心距離的飛船金星快車,ACE,與Ulysses的觀測數(shù)據(jù),輔

3、以數(shù)值模型的模擬結(jié)果,研究了行星際磁場在0.72AU、1.0AU等不同行星際空間位置,各種尺度下的dB的分布,以及它們的Tsallis參數(shù),并討論了Tsallis分布隨時間尺度、空間位置以及與太陽周年的變化。
　　 首先我們分別討論了0.72 AU處,1.0 AU處的磁場強度差值dB相對于時間尺度的變化。討論的尺度范圍包括1小時至170.7天的大尺度與10分鐘至42.7小時的小尺度。Tsallis參數(shù)隨尺度變化在這兩個不同的日心

4、距處趨勢十分類似。在大部分尺度中,均有q0.72AUω1.0AU,而在小尺度范圍中,則正好相反。同時,利用1Hz的金星快車磁場觀測數(shù)據(jù),我們分析了金星磁鞘內(nèi)時間尺度為1秒,10秒,60秒的極小尺度下的Tsallis分布,并與金星快車觀測到的行星際磁場比較。我們發(fā)現(xiàn),金星磁鞘區(qū)的磁場擾動仍然偏離熱平衡

5、態(tài),金星磁鞘區(qū)內(nèi)的磁場強度差值分布也服從Tsallis分布。且有磁鞘區(qū)內(nèi)的Tsallis參數(shù)ω,q均明顯低于太陽風(fēng)中相應(yīng)尺度的值
　　 本文還利用ACE1998年至2009年的磁場強度觀測,討論了1.0 AU處Tsallis分布隨太陽周年變化的規(guī)律。我們發(fā)現(xiàn):Tsallis參數(shù)在不同的太陽活動階段具有相似的隨尺度變化的趨勢。對于q說,這種趨勢較為復(fù)雜。q的整體取值范圍與太陽活動密切相關(guān):在太陽活動峰年,整體取值最高,在太陽活動低

6、年,整體取值最低。ω則沒有類似的規(guī)律,它整體偏高或偏低都出現(xiàn)在太陽活動下降階段。ω隨尺度的變化也具有固定的趨勢,在從1小時至64小時的尺度上,ω隨尺度的增加單調(diào)增加,在64小時至170.7天的尺度上,它幾乎不隨尺度的變化而變化。
　　 最后,我們討論了Tsallis分布在行星際空間的演化,包括隨日心距和太陽緯度的變化規(guī)律。我們把Ulysses2007年的磁場觀測,按它所處的太陽緯度分為兩部分。在黃道面的數(shù)據(jù)段用以比較黃道面附近T

7、sallis參數(shù)隨日心距變化的規(guī)律,高緯區(qū)域的數(shù)據(jù)段輔以模型的模擬值,以探討緯度因素的影響。在黃道面附近,q隨日心距的增加而增加,湍流在傳播的過程中增強的間歇性,在這一區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的大量的激波,可能是導(dǎo)致這一參數(shù)變化的因為。ω隨日心距的增加而減小,反映了擾動隨日心距的增加其幅度不斷減小。隨著緯度的增高,q的值逐漸降低,在各個尺度上擾動的間歇性減弱。擾動幅度的變化則與尺度有關(guān)。在較小的尺度范圍1hour