[학위논문]지구 자기권 꼬리영역에서 플라스마 흐름의 특징에 대한 연구 Observational investigation of plasma flows in the Earth's magnetotail : Intrinsic properties and earthward penetration effects of bursty bulk flows원문보기
현재 우주 물리학에서 중요한 논쟁 중의 하나는 서브스톰(substorm)의 발달 메커니즘이다. 서브스톰이 발생할 때 함께 관측되는 대표적인 현상은 자기권 꼬리 중간 영역에서의 자기장 재결합(reconnection)과 자기권 꼬리 안쪽 영역에서의 쐐기 전류(substorm current wedge)의 형성 및 오로라 현상이다. 이 두 현상을 포함하여 여러 서브스톰 현상을 잘 설명하는 모델을 개발하는 것이 중요한 과제이며, 이를 위해서는 지구 자기권 꼬리영역에서의 ...
현재 우주 물리학에서 중요한 논쟁 중의 하나는 서브스톰(substorm)의 발달 메커니즘이다. 서브스톰이 발생할 때 함께 관측되는 대표적인 현상은 자기권 꼬리 중간 영역에서의 자기장 재결합(reconnection)과 자기권 꼬리 안쪽 영역에서의 쐐기 전류(substorm current wedge)의 형성 및 오로라 현상이다. 이 두 현상을 포함하여 여러 서브스톰 현상을 잘 설명하는 모델을 개발하는 것이 중요한 과제이며, 이를 위해서는 지구 자기권 꼬리영역에서의 플라스마 흐름(plasma flows)의 특성과 역할을 연구하는 것이 매우 중요하다. 따라서 본 연구에서는 서브스톰의 발생 메커니즘에 대한 이해를 돕기 위해, Cluster와 THEMIS 인공위성 관측 자료들을 이용하여 플라스마 흐름들의 특성을 통계적으로 연구했다. 먼저 Cluster 인공위성들 중 C1과 C4의 관측 자료를 이용하여 2001년부터 2003년까지 순간적으로 빠른 플라스마의 흐름 (flow bursts) 이벤트들은 조사했다. 이전 연구들에 비해 비교적 엄격한 기준으로 45개 이벤트를 선정하여 여러 물리량에 대해 분석하여 다음과 같은 결과를 얻었다. (1) 플라스마 흐름 동안 지나가는 자기장 플럭스의 밀도는 주변의 밀도보다 낮다는 기존 연구의 결과를 한 번 더 확인했고, 나아가 더 낮은 밀도를 가진 자기장 플럭스일수록 더 빠른 속도를 가지고 지구 쪽으로 향하는 경향을 찾을 수 있었다. (2) Wolf et al. (2006)의 공식을 이용하여 계산한 자기 플럭스의 엔트로피 지수는 pV5/3(entropy parameter)는 대부분의 이벤트에서 빠른 플라스마 흐름이 지나가는 동안 낮아짐을 보였다. 여기서p는 자기장 플럭스의 이온 압력(ion pressure)이고 V는 자기장 플럭스의 부 피를 나타낸다. 이 결과는 빠른 플라스마 흐름을 설명하는 하나의 모델인 거품 모델(bubble model)을 지지한다. (3) 약 70%의 경우, 플라스마 흐름이 지나갈 때 자기장에 수직과 수평 방향 모두에서 온도가 높아졌다. 또한 대부분의 이벤트의 경우 플라스마 흐름이 지나가는 동안 거의 등방적인 온도를 보였고, 일부의 이벤트에서 미미한 비등방적인 온도 분포를 보였다. 흥미로운 점은 비등방성을 보이는 이벤트의 경우, T⊥ 이 T∥보다 63%의 이벤트에서 더 높은 값을 보였고, 이것은 빠른 플라스마 흐름이 있는 동안 베타트론 가속(Betatron acceleration) 이 더 효과적임을 뜻한다. 이벤트 중 23%의 경우, 온도에서의 작은 비등성에도 불구하고 높은 플라스마 베타 (plasma beta) 조건으로 인해 classic mirror instability 한계를 넘어섰다. (4) 약 74%의 이벤트에 대해서 총 압력 (total pressure, 즉, 플라스마 압력 + 자기 압력)이 감소했다. 대부분의 경우 압력의 변화량이 적었지만 일부 이벤트의 경우는 압력 감소가 주변에 비해 무시할 수 없을 정도로 크게 나타났다. 이것은 총 압력 경도력이 자기 플럭스가 지구방향으로 향해 오는 속도를 감소시키는 방향으로 작용하는 것으로 해석할 수 있다. 흥미로운 사실은 이 연구의 모든 결과들은 거품 모델로 설명이 가능하다는 것이다. 앞선 연구의 결과를 바탕으로 엔트로피 지수와 플라스마 흐름과의 관계를 통계적으로 조사해보고, 나아가 플라스마 흐름의 엔트로피 지수에 따라 자기 플럭스가 지구에 접근하는 정도에 영향을 주는지 알아보고자 두 번째 연구를 시행했다. THMIS 인공위성(A, D, E)과 GOES 위성 자료를 이용하였으며, 2008년에서 2009년의 기간 동안 지구 근처(XGSM ~-6RE에서 -12RE) 영역에서 dipolarization와 연관된 플라스마 흐름 167개 이벤트를 조사하였다. 그 결과 (1) 대략 68%의 dipolarization이 지구 쪽으로 향하는 플라스마 흐름과 연관되어 있었고, 지구에 가까운 영역으로 갈수록 빠른 속도로 지구를 향하는 플라스마 흐름의 비율은 적어짐을 알 수 있었다. 반면, 자기권 꼬리방향으로 향하는 플라스마 흐름들의 경우, 지구에서의 거리에 상관없이 300 km/s 보다 낮은 다소 낮은 속도를 나타냈다. (2) 이미 알려진 바대로, dipolarization과 연관된 플라스마 흐름 동안에는 엔트로피 지수, pV5/3 값이 감소했다. 또한 분산이 심하긴 하지만 엔트로피 지수가 주변보다 낮은 이벤트 일수록 플라스마 흐름의 최대 속도가 커지는 경향을 보였다. 이 결과는 플라스마 흐름의 방향에 상관없이 적용되었으며, dipolarization과 이와 연관된 플라스마 흐름을 거품 모델로 설명이 될 수 있다는 사실을 지지한다. 한편, 지구 근처 영역에서의 플라스마 흐름의 엔트로피 지수와 정지궤도에 위치한 GOES에서의 자료를 비교한 결과, (3) 대부분의 플라스마 흐름은 정지 궤도위치까지 도달하지 못한다는 사실을 알아내었다. 다만, 충분히 낮은 엔트로피 지수를 가진 소수의 플라스마 흐름만이 정지궤도 위치까지 영향을 주는 것으로 나타났다. 본 논문에서는 지구 자기권 꼬리 영역에서의 플라스마 흐름을 통계적으로 분석하여플라스마 흐름의 물리적인 특성에 대한 이해도를 높이는 결론을 도출하였다. 또한, 적어도 본 논문에서 연구된 플라스마 흐름의 특징들이 거품 모델로써 설명 가능하다는 결과를 얻었다. 이러한 결과들은 서브스톰 발전 메커니즘을 규명하는데 도움이 될 것으로 사료된다.
현재 우주 물리학에서 중요한 논쟁 중의 하나는 서브스톰(substorm)의 발달 메커니즘이다. 서브스톰이 발생할 때 함께 관측되는 대표적인 현상은 자기권 꼬리 중간 영역에서의 자기장 재결합(reconnection)과 자기권 꼬리 안쪽 영역에서의 쐐기 전류(substorm current wedge)의 형성 및 오로라 현상이다. 이 두 현상을 포함하여 여러 서브스톰 현상을 잘 설명하는 모델을 개발하는 것이 중요한 과제이며, 이를 위해서는 지구 자기권 꼬리영역에서의 플라스마 흐름(plasma flows)의 특성과 역할을 연구하는 것이 매우 중요하다. 따라서 본 연구에서는 서브스톰의 발생 메커니즘에 대한 이해를 돕기 위해, Cluster와 THEMIS 인공위성 관측 자료들을 이용하여 플라스마 흐름들의 특성을 통계적으로 연구했다. 먼저 Cluster 인공위성들 중 C1과 C4의 관측 자료를 이용하여 2001년부터 2003년까지 순간적으로 빠른 플라스마의 흐름 (flow bursts) 이벤트들은 조사했다. 이전 연구들에 비해 비교적 엄격한 기준으로 45개 이벤트를 선정하여 여러 물리량에 대해 분석하여 다음과 같은 결과를 얻었다. (1) 플라스마 흐름 동안 지나가는 자기장 플럭스의 밀도는 주변의 밀도보다 낮다는 기존 연구의 결과를 한 번 더 확인했고, 나아가 더 낮은 밀도를 가진 자기장 플럭스일수록 더 빠른 속도를 가지고 지구 쪽으로 향하는 경향을 찾을 수 있었다. (2) Wolf et al. (2006)의 공식을 이용하여 계산한 자기 플럭스의 엔트로피 지수는 pV5/3(entropy parameter)는 대부분의 이벤트에서 빠른 플라스마 흐름이 지나가는 동안 낮아짐을 보였다. 여기서p는 자기장 플럭스의 이온 압력(ion pressure)이고 V는 자기장 플럭스의 부 피를 나타낸다. 이 결과는 빠른 플라스마 흐름을 설명하는 하나의 모델인 거품 모델(bubble model)을 지지한다. (3) 약 70%의 경우, 플라스마 흐름이 지나갈 때 자기장에 수직과 수평 방향 모두에서 온도가 높아졌다. 또한 대부분의 이벤트의 경우 플라스마 흐름이 지나가는 동안 거의 등방적인 온도를 보였고, 일부의 이벤트에서 미미한 비등방적인 온도 분포를 보였다. 흥미로운 점은 비등방성을 보이는 이벤트의 경우, T⊥ 이 T∥보다 63%의 이벤트에서 더 높은 값을 보였고, 이것은 빠른 플라스마 흐름이 있는 동안 베타트론 가속(Betatron acceleration) 이 더 효과적임을 뜻한다. 이벤트 중 23%의 경우, 온도에서의 작은 비등성에도 불구하고 높은 플라스마 베타 (plasma beta) 조건으로 인해 classic mirror instability 한계를 넘어섰다. (4) 약 74%의 이벤트에 대해서 총 압력 (total pressure, 즉, 플라스마 압력 + 자기 압력)이 감소했다. 대부분의 경우 압력의 변화량이 적었지만 일부 이벤트의 경우는 압력 감소가 주변에 비해 무시할 수 없을 정도로 크게 나타났다. 이것은 총 압력 경도력이 자기 플럭스가 지구방향으로 향해 오는 속도를 감소시키는 방향으로 작용하는 것으로 해석할 수 있다. 흥미로운 사실은 이 연구의 모든 결과들은 거품 모델로 설명이 가능하다는 것이다. 앞선 연구의 결과를 바탕으로 엔트로피 지수와 플라스마 흐름과의 관계를 통계적으로 조사해보고, 나아가 플라스마 흐름의 엔트로피 지수에 따라 자기 플럭스가 지구에 접근하는 정도에 영향을 주는지 알아보고자 두 번째 연구를 시행했다. THMIS 인공위성(A, D, E)과 GOES 위성 자료를 이용하였으며, 2008년에서 2009년의 기간 동안 지구 근처(XGSM ~-6RE에서 -12RE) 영역에서 dipolarization와 연관된 플라스마 흐름 167개 이벤트를 조사하였다. 그 결과 (1) 대략 68%의 dipolarization이 지구 쪽으로 향하는 플라스마 흐름과 연관되어 있었고, 지구에 가까운 영역으로 갈수록 빠른 속도로 지구를 향하는 플라스마 흐름의 비율은 적어짐을 알 수 있었다. 반면, 자기권 꼬리방향으로 향하는 플라스마 흐름들의 경우, 지구에서의 거리에 상관없이 300 km/s 보다 낮은 다소 낮은 속도를 나타냈다. (2) 이미 알려진 바대로, dipolarization과 연관된 플라스마 흐름 동안에는 엔트로피 지수, pV5/3 값이 감소했다. 또한 분산이 심하긴 하지만 엔트로피 지수가 주변보다 낮은 이벤트 일수록 플라스마 흐름의 최대 속도가 커지는 경향을 보였다. 이 결과는 플라스마 흐름의 방향에 상관없이 적용되었으며, dipolarization과 이와 연관된 플라스마 흐름을 거품 모델로 설명이 될 수 있다는 사실을 지지한다. 한편, 지구 근처 영역에서의 플라스마 흐름의 엔트로피 지수와 정지궤도에 위치한 GOES에서의 자료를 비교한 결과, (3) 대부분의 플라스마 흐름은 정지 궤도위치까지 도달하지 못한다는 사실을 알아내었다. 다만, 충분히 낮은 엔트로피 지수를 가진 소수의 플라스마 흐름만이 정지궤도 위치까지 영향을 주는 것으로 나타났다. 본 논문에서는 지구 자기권 꼬리 영역에서의 플라스마 흐름을 통계적으로 분석하여플라스마 흐름의 물리적인 특성에 대한 이해도를 높이는 결론을 도출하였다. 또한, 적어도 본 논문에서 연구된 플라스마 흐름의 특징들이 거품 모델로써 설명 가능하다는 결과를 얻었다. 이러한 결과들은 서브스톰 발전 메커니즘을 규명하는데 도움이 될 것으로 사료된다.
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