2003年Hallowe’en磁暴后新质子带形成和损失机制的研究

本文利用低高度极轨卫星NOAA/POES的观测数据,对2003年Hallowe'en磁暴期间新质子带的形成和损失机制做了细致的研究和分析.结果表明新质子带的形成是诸多因素共同作用的结果.包括强太阳质子事件(Solar Proton Events,SPEs)、大的地磁暴和行星际激波.所有这些因素构成了新质子带形成的前提条件,尤其是行星际激波是形成新质子带不可缺少的因素.此外本文提出了磁暴主相对高能质子注入磁层稳定捕获区起到重要贡献.本文还运用绝热捕获判据分析了新质子带的损失机制,证明了由于磁暴期间环电流积累造成磁场大的扰动,破坏绝热不变量的守恒,导致新质子带粒子的损失.     

内辐射带高能质子对磁暴响应的统计研究

范艾伦卫星-A观测表明内辐射带高能质子通量在磁暴主相期间显著下降,在恢复相时与地磁SYM-H指数同步恢复.磁暴期间内辐射带高能质子通量变化对磁场变化的响应是绝热的吗?基于刘维尔定理和第一和第三绝热不变量守恒,定量地评估了高能质子在内辐射带中的完全绝热效应.两个事件研究表明,理论计算的绝热效应导致的高能质子通量变化与范艾伦卫星观测结果吻合良好.本文进而对2013—2016年期间发生的67次磁暴事件进行了统计研究.结果发现磁暴主相和恢复相期间,内辐射带高能质子通量变化的90%贡献是完全绝热效应.相空间密度的调查结果也支持这一结论.最后通过对比研究磁暴前后高能质子通量的变化,我们发现大部分磁暴(56/67)期间,绝热效应能解释内辐射带高能质子通量的变化;另外11次磁暴事件中非绝热效应可能起着重要作用.     

磁暴期间辐射带电子相空间密度的多卫星联合观测

地球外辐射带是一个高度动态变化的空间环境,辐射带电子通量的变化在磁暴期间尤为明显.要分析潜在的电子动态变化机制,需要排除绝热效应产生的影响.在以三个绝热不变量组成的相空间坐标中,利用相空间密度(PSD)可以反映电子的真实加速和损失情况.本文详细分析两颗范艾伦卫星和三颗GPS导航卫星在2013年3月的同步电子通量观测数据,发现在3月17日磁暴期间,当太阳风动压增大、行星际磁场南向时,辐射带电子通量会发生骤降.进一步将电子通量转换成电子相空间密度并利用不同第一、第二绝热不变量(μ,K)组合条件下PSD径向分布的差异性,深入探究磁暴期间辐射带电子的动态变化机制.结果表明:磁暴初期由于电子的局地加速导致PSD不断上升;磁暴主相期间,由于磁层顶阴影效应以及伴随的向外径向扩散损失导致PSD快速降低;位于不同空间位置的多颗卫星观测为明晰辐射带电子动态物理过程提供了重要的便利.     

暴时内辐射带高能质子的损失和恢复机制探究

我们利用NOAA17卫星对内辐射带高能质子的观测结果研究了大磁暴期间内辐射带质子通量的变化过程.我们发现内辐射带质子出现两种不同的暴时损失事件.在大磁暴发生时,内辐射带外边界质子通量会迅速减小,然后缓慢恢复;而在内辐射带中心区的质子通量(即南大西洋异常区(SAA)质子通量最大值)的暴时变化表现为质子通量的一个迅速的减小和迅速恢复.内辐射带外边界的损失事件主要发生在较低能量质子能档,而内辐射带中心处的损失事件发生在所有质子能档.两种损失事件中质子通量的不同变化意味着内辐射带质子可能有不同的损失和产生机制.通过分析,我们认为内辐射带外边界处质子通量损失事件主要由磁场曲率散射机制造成,而其恢复机制主要是宇宙线反照中子衰变(CRAND).内辐射带中心区(即南大西洋异常区质子通量最大处)质子通量损失事件可能与Dst效应有关.     

急始型磁暴的初步定性估計

本文通过下述模型来探讨典型的磁暴发生过程:当点爆炸球面波自太阳上爆发后,太阳微粒流随即以冲激波形式越过行星际空间到达地球,在地球附近可能形成驻激波面,然后微粒流由地磁空穴的中性点进入磁层,在地球周围生成电流环,产生磁暴主相。在质子与地球附近上空中性氢原子发生电荷交换的过程中,磁暴过程相应地由主相转入恢复期,在不考虑行星际空间磁場的条件下,计算出在太阳爆炸波发生后第17时、24时、32时开始的磁暴发展过程曲线,并由观测资料推测出中性点的等效面积,计算结果指出:爆炸波愈强,主相愈大,恢复期愈短,这和观测到的粒子流速度愈大,磁暴也愈强、恢复期也愈短的现象是一致的。     

内日球太阳风的激波加热

利用HeliosA,B飞船1974年至1980年的太阳风探测资料,分析了不同速度间隔太阳风质子温度径向变化指数在太阳不同活动期的变化,以及不同太阳活动期间内日球行星际激波强度分布的变化．结果指出,在0．3-1．0AU区间行星际激波可能是太阳风加热的一个重要因素,这一因素在太阳活动高年可能起着主要的作用．激波MHD数值模拟也从量的方面表明激波加热太阳风的有效性．     

行星际激波的传播及其相应的地磁效应

基于 2.5 维理想磁流体力学（Magnetohydrodynamic,MHD）方程组分析了行星际激波在日球层子午面内的传播过程及其相应的地磁效应.日球层电流片（Heliospheric Current Sheet,HCS）-日球层等离子体片（Heliospheric Plasma Sheet,HPS）对于行星际激波的传播具有一定的阻碍作用.当行星际激波相对于HCS 倾斜传播时,相对于扰动源位于HCS 异侧的激波强度较同侧的明显减弱.局地激波面的法线（或形状）对通过激波阵面的磁力线发生偏转的程度和方向起决定性作用.沿激波传播方向其为准平行激波,磁场偏转程度较小,而其两侧部分则为斜激波,磁场偏转程度较大.位于HCS-HPS 位置处的波前形成凹槽,磁力线偏转程度明显加强.行星际激波对磁场的偏转效应是其驱动地磁暴的重要机制,而且地磁效应的强度与地球相对于HCS 的角距离Δθ_p有明显关系.数值模拟结果表明：任何行星际激波,Δθ_p=0°处均无法形成较大强度的地磁效应;沿HCS 传播的行星际激波,地磁效应最强的区域位于HCS 两侧;相对于HCS 倾斜传播的行星际激波,地磁效应最强的区域位于HCS 异侧.     

关于利用行星际闪烁（IPS）观测进行地球磁暴急始预报的初步探讨

本文在分析行星际激波传播的空间特性的基础上,提出了一种物理模式加统计的预报方法。对1975-1982年间58个耀斑-IPS激波事件是否引起地球磁暴急始进行预报的结果如下:有无磁暴急始发生的报准率是77.6％,虚报率为22.4％;磁暴急始发生时间的预报准确性,大多在±10小时内。这表明利用IPS观测进行磁暴急始预报有很大的潜力和现实可能性。     

高能质子能谱特征在日冕物质抛射影响预报中的应用

日冕物质抛射(CME)的规模和对地有效性是地磁暴预报中重点关注的特征.本项研究的目的是通过对行星际高能质子通量和能谱的特征与演化规律的分析,得到CME对粒子的加速能力,评估CME可能对地磁场造成的影响.在工作中,统计分析了ACE/EPAM的1998-2010年的质子数据,对质子能谱进行了拟合,得到了能谱指数,并对能谱指数及其变化特征所对应的CME和地磁暴进行了相关统计.通过研究发现:(1)能谱指数随着太阳活动水平而变化,高年最大,达到-2.6,而且涨落幅度也达到±0.4,而在太阳活动低年则稳定在-3.0左右;(2)CME对粒子的加速对应着能谱指数的升高,幅度达到20%时,CME引起地磁暴的可能性较大;(3)冕洞高速流到达地球时,高能质子通量也会升高,但能谱指数同时会有下降;(4)以2004年全年的能谱指数为例,对能谱指数在地磁暴预报中的应用进行了评估,结论认为,能谱指数的升高是CME引发地磁暴的必要条件,可以作为地磁暴预报的参数使用.     

地基观测的夜侧极光对行星际激波的响应

行星际激波与地球磁层相互作用通常会导致日侧极光活动增强,随后沿着极光卵的晨昏两侧向夜侧扩展的激波极光.行星际激波也可能直接导致夜侧扇区极光活动增强,甚至沉降粒子能通量的数量级可以与典型亚暴相比拟.本文首次利用我国南极中山站和北极黄河站连续多年积累的极光观测数据,对行星际激波与地球磁层相互作用期间地面台站在夜侧扇区(18—06MLT)观测的极光响应进行了分析.对18个极光观测事件的分析结果表明:行星际激波与磁层相互作用可以在夜侧触发极光爆发和极光微弱增强或静态无变化事件;太阳风-磁层能量耦合的效率以及磁层空间的稳定性决定着行星际激波能否触发极光爆发.     

2003年10～11月的大磁暴

分析了引起2003年10～11月发生的3个特大磁暴的太阳活动、行星际扰动以及中国东部地磁台链记录到的地面磁场变化。结果表明,这3个特别大的磁暴是由太阳质量抛射事件引起的。太阳向着地球喷发出的大量等离子体引起的强烈太阳风扰动和持续长时间的南向行星际磁场与磁层相互作用形成了特别大的磁暴。ACE卫星、GOES卫星以及地面地磁台站较完整地记录了这3次日地扰动传输过程。对于每一个磁暴,中国东部地磁台链记录到的H分量变化形态一致,纬度最高的满洲里地磁台H幅度最大,而其他台站的幅度与纬度无明显关系,这表明磁暴的发展不完全由赤道环电流引起,在这样强烈的磁暴期间,磁层内的电流体系非常复杂。     

基于中性原子通量数据的磁暴期间环电流研究

本文通过分析两次大磁暴期间的中性原子(ENA)通量数据,试图揭示环电流离子通量的变化规律,进一步探讨环电流的形成和损失机制,以及磁暴和亚暴的关系.两次磁暴期间ENA通量的变化呈现出一些重要的特征:(1)通量随能量的增高而快速降低,磁暴主相期间高能端通量所占比重增大;(2)通量比例曲线的起伏远比通量曲线的起伏要平缓;(3)通量的起伏与AE指数之间没有简单的对应关系;(4)磁暴恢复相开始前,ENA通量出现短时间的猛烈增长,特别是低能端通量的增长异常迅速;(5)Dst/SYM-H指数快速恢复期间,ENA通量的变化表现为两个完全不同的阶段:先降低,后增大.忽略影响ENA通量的其他次要因素,ENA通量的上述特征直接反映了环电流的发展规律.环电流离子通量随能量的增高快速下降,磁暴主相期间可能由于高能O⁺的增加使得能谱有所变硬.离子主要受南向行星际磁场(IMF)所引起的对流电场的驱动注入到环电流区域,通量的变化大体上是无色散的.亚暴活动与环电流的增长没有直接的因果关系,但亚暴活动会引起环电流离子通量的短时间尺度波动.恢复相开始前,环电流离子在昏侧区域发生堆积,使得局部离子通量变大.这可能是由于屏蔽电场的形成削弱了内磁层对流电场,造成离子在磁层顶的逃逸损失过程减弱.在Dst/SYM-H指数的快速恢复期间,环电流离子通量的衰减速度也可能发生阶段性变化.这说明Dst/SYM-H指数并不能准确反映环电流的强度,环电流的衰减过程可能具有比先快后慢更为复杂的阶段性模式.     

南向行星际磁场事件与磁暴关系的研究

利用172-182年IMP-8飞船的太阳风观测资料和相应地磁活动性指数Dst和AE,研究了43个南向行星际磁场事件期间太阳风和磁层的耦合问题. 与这43个事件对应的地磁暴是中等的和强的磁暴(Dst＜-50nT). 结果表明:(1) 在43个事件中有11个(约占25.6髎)紧随激波之后,18个处于激波下游流场中(占42髎),其余14个(占33髎)和激波没有关连. 绝大多数事件都伴有太阳风动压和总磁场强度的增加;(2) 当行星际晨昏向电场强度EI＞-4mV/m时,只引起磁亚暴,对Dst指数没有明显影响. 仅当EI＜-5mV/m时,磁亚暴和磁暴才会同时出现;(3) 太阳风动压的增加会增强能量向环电流的输入,但不是密度和速度单独起作用,而是以PK=ρV2的组合形式影响能量的输入;(4) 虽然行星际磁场(IMF)南向分量BZ对太阳风和磁层的耦合起着关键作用,但IMF的BX和BY分量相对于BZ的大小对太阳风向磁层的能量传输也有一定影响. 当BX、BY相对BZ较大时能量耦合加强.     

不同起源地磁扰动期间极光沉降能量的统计研究

尽管对极光沉降能量(HP)的研究已经开展很久,但是关于不同行星际扰动源对HP影响的研究仍然很少.本文基于2001—2008年NOAA极轨卫星数据,对三类不同扰动源,即盔状冕流共转相互作用区(CIRs)、伪冕流CIRs和行星际日冕物质抛射(ICMEs)驱动的中等磁暴期间HP的变化进行时序叠加统计分析,讨论了相关太阳风背景参数、地磁活动强度以及耦合函数的有效性;研究了三类磁暴事件期间HP的南北半球不对称性.结果表明,在磁暴之前盔状冕流CIR磁暴的HP明显低于伪冕流CIR磁暴和ICME磁暴,盔状冕流"磁暴前的平静期"与Newell耦合函数关系密切,而与Russell-McPherron效应关系较小.盔状冕流CIR磁暴主相HP高于伪冕流CIR磁暴和ICME磁暴,可能与盔状冕流相应行星际|B_z|和太阳风数密度均较高有关.此外,在Kp≤4时,冬夏季半球HP的差别随着Kp增加而增加,相应的变化规律符合电导率反馈机制的预测;在Kp>4时,盔状冕流磁暴和ICME磁暴冬季半球的HP大于夏季半球的,伪冕流磁暴事件夏季半球的HP大于冬季半球的或与冬季半球的相近.     

耀斑-行星际激波结构与相应地磁扰动结构间关系的分析（Ⅰ）

利用297个耀斑-行星际激波-地磁扰动事件,统计研究了耀斑-行星际激波等离子体结构与相应磁扰结构间的关系,新的发现是:当激波面后的磁场南、北分量不大时,激波等离子体结构决定着相应磁扰的基本结构形态,特别是等离子体热状态与相应磁扰的恢复相关系十分密切.由本文定义的激波能量传输指数--FS指数对相应地磁扰动能给出较好的描述.推论:除磁重联这类能量传输机制外,对于行星际磁场南、北分量较小时,还可能存在以等离子体过程为基础的决定磁扰变化结构的太阳风-磁层能量传输机制,应进一步研究.     

佘山地磁台百年磁暴（二）——极大磁暴分析

本文是佘山地磁台百年磁暴的第二部分,对其极大磁暴（主相ΔH≥400 nT）进行分析.通过与其他三组由不同地磁活动指数定义的极大磁暴对比,表明佘山台用主相幅度差对极大磁暴的定义与之基本相符.同时结合几个典型磁暴,对磁暴与太阳风、行星际磁场和电离层之间的关系进行了讨论.     

磁暴主相多阶发展行星际起因的初步分析

本文利用1998～2006年与磁云有关的80起中强磁暴(Dst*≤-50 nT),对其主相期间不同发展阶数磁暴的行星际起因进行了统计分析.重点研究了鞘区磁场单独作用、磁云本体单独作用、鞘区与磁云共同作用以及其他复杂行星际结构在磁暴主相多阶发展中的相对重要性,并对导致磁暴主相增加一阶的行星际起因做了初步分析.统计结果表明...     

基于ARTEMIS卫星数据的月球轨道附近地球弓激波位型研究

地球弓激波是超音速太阳风和地球磁层相互作用的产物,以往由于数据所限,人们发展的模型仅考虑了近地情况,而对于远地弓激波的位型,以及其他因素例如行星际磁场B_y对弓激波位型的影响,人们还不是很清楚.通过统计分析ARTEMIS卫星2011年1月至2015年1月期间的弓激波穿越事件,首先拟合修正了Chao弓激波模型(最常用的弓激波模型之一)中尾部张角a表达式的系数,得到适用于中远地(月球轨道处,地心距离-20R_EX-50R_E)弓激波的模型系数,然后研究了行星际磁场B_y分量对弓激波尾部张角a的影响.结果表明:(1)拟合的模型系数相对于原系数来说,在中远地与观测结果更吻合;(2)弓激波尾部张角a随行星际磁场B_y分量的增大而增大,且正的B_y对张角的影响比B_y为负的情况影响更大.研究结果为进一步建立包含行星际磁场B_y分量的弓激波模型提供了参考.     

行星际扰动对地磁活动的影响

利用第23太阳活动周中WIND和ACE资料,统计分析行星际扰动对不同水平地磁活动的影响,研究磁暴强度与不同行星际参数之间的相关性,结果发现:①从长期来看,地磁活动指数Dst与太阳风速度的相关性最好,相关性在太阳活动谷年时最高;②多磁暴时序叠加结果证实了导致小、中、强磁暴开始的经验行星际南向磁场条件,磁暴过程中行星际磁场...     

波粒相互作用导致环电流质子沉降的卫星共轭观测

波粒相互作用是环电流损失的重要机制之一,但波粒相互作用导致的环电流离子沉降而损失迄今为止缺乏直接的观测证据.基于磁层及电离层卫星的协同观测,本文报道了发生在2015年9月7日,由电磁离子回旋波(EMIC波)导致环电流质子沉降的共轭观测事件.在等离子体层的内边界,Van Allen Probe B卫星观测到,存在EMIC波的区域和不存在EMIC波的区域相比,离子通量的投掷角分布的各向异性变弱.我们将Van Allen Probe B卫星沿着磁力线投影到电离层高度,同时在该投影区域内DMSP 16卫星在亚极光区域观测到环电流质子沉降.而且,通过从理论上计算质子弹跳平均扩散系数,我们进一步证实观测的EMIC波确实能将环电流质子散射到损失锥中.本文的研究工作为EMIC波导致环电流质子沉降提供了直接的观测证据,揭示了环电流衰减的重要物理机制:EMIC波将环电流质子散射到损失锥中,从而沉降到低高度大气层中而损失.