日冕物质抛射源区研究进展

日冕物质抛射(Coronal Mass Ejection,简称CME)可在短时间内将约1011~1013千克物质抛向行星际空间,是灾害性空间天气的主要驱动源之一.CME引发的空间天气事件可能会对卫星、航空器、航天器、电网、输油管道,以及航天员、航班机组人员和乘客健康造成严重危害.CME源区研究是理解CME的重要途径.本文旨在介绍近年来CME源区观测和理论研究进展,通过综合Hinode、STEREO、SDO等卫星的最新观测结果,对CME源区的观测特征进行描述;在此基础上,对stealth CME、twin-CME、大尺度活动等概念、观测现象背后的磁场机制、磁绳的观测和模拟,新的日冕磁场外推方法、CME的三维重构等进行概述.CME预报仍是目前空间天气领域的难点之一,结合最新观测数据对CME事件及其源区、尤其是源区大尺度磁场结构进行分析,对理解和预报CME及相关的空间天气事件具有重要意义.     

磁场重联耗散区内X线附近的强低混杂波的Geotail卫星观测研究

Geotail卫星于2003年5月15日在近地磁尾观测到磁场重联并穿越重联耗散区.卫星从尾向—南尾瓣一侧穿越磁场重联耗散区到地向—北尾瓣一侧的过程中,随着等离子体流反向,霍尔磁场(B_y) 被观测到.本文研究了该磁场重联耗散区内的低混杂波.观测结果显示,在磁场重联耗散区核心及其附近区域观测到在低混杂频率附近存在强烈的等离子体波动的增强,其传播方向主要垂直于背景磁场,该等离子体波动为低混杂波.前人的模拟结果认为,当磁场重联得到充分发展之前,低混杂波将消失.本文的观测结果充分说明,当磁场重联充分发展之后,在核心区域仍然存在增强的低混杂波,说明低混杂波贯穿磁场重联的整个发展过程.这种观测结果与计算机等离子体模拟的结果有所不同.本文的观测对低混杂波在磁场重联中的具体表现提供了新的观测证据并有可能修正前人的理论.     

银河宇宙线对1991年3月日冕物质抛射的监测

利用McMurdo 和Thule台站的观测资料以及我国广州宇宙线台站的观测资料，分 析了1991年3月24日特大磁暴的日冕物质抛射(简称：CME)的部分特征. 分析结果表明CME到 达磁层时，其运动 方向不是正对着磁层顶而是一定程度地偏向地球南半球；这次事件引起银河宇宙线强度出现 三次Forbush下降. CME中含有很强的磁场结构，最强的磁场结构是在1991年3月24日20：00U T 左右到达磁层的，在这期间它严重阻碍着银河宇宙线粒子南向进入到广州宇宙线观测站，在 24日21：00UT最强的磁场结构绕过地球到达磁尾；这次CME中含有较强的磁云.     

地球物理学报第48卷总目次

0001南极中山站电离层的极区特征……沈长寿,资民筠,王劲松,刘顺林,…徐寄遥0007不考虑磁层顶磁重联的全球三维MHD模型………………………郭九苓,王继业,…刘振兴0013 CME和冕流结构相互作用机制的数值模拟究……………………………………………黄福成0019白天混合层顶部夹卷层     

时变行星际太阳风模拟及其结果评估

背景太阳风对于地球附近的空间环境有着重要的影响,三维磁流体力学太阳风模型是背景太阳风研究和预报的重要工具.通过太阳光球磁场数据驱动的边界条件,我们发展了一个时变的行星际三维磁流体力学太阳风模型.使用这个模型,我们模拟了2008年全年的行星际背景太阳风,分析了该年太阳风结构全球特征的演化和行星际局地观测与日冕结构间的联系.实现了一套太阳风连续参数和特征结构模拟质量的定量评估方法.对2008年模拟结果的评估表明,模型较好地重现了背景太阳风的大尺度特征.模拟与观测速度间的相关性系数达到了0.6以上,行星际磁场强度与观测吻合得较好,捕获了全部的行星际磁场极性反转和82.76%的流相互作用区,行星际磁场极性反转的误报率仅为6.67%,流相互作用区的误报率仅为11.11%,两种结构的到达时间误差在1天左右.同时,通过综合分析评估结果,我们明确了高速流结构、内边界磁场分布等模型在进一步改进中需要重点注意的问题.     

利用卫星探测研究地下结构

介绍了国外利用卫星上观测的电子流量和磁场资料进行地下结构探测研究的一些成果.研究表明，卫星上记录到的不同能量电子流量脉冲突变与地下结构、深大岩石圈断裂带有密切的对应关系.卫星磁场观测具有覆盖全球的优势，随着卫星磁场数据观测精度的提高，卫星磁测在全球磁变模型的建立、研究大陆内部结构、大陆和海洋边界带、地幔过渡带等方面的将发挥越来越重要的作用.卫星观测将成为全面、整体探测研究地球内部结构有效的手段之一.     

1998年11月4日至5日日冕物质抛射日地传输时间的数值模拟

在一维球坐标系下模拟了1998年11月4日至5日3个连续日冕物质抛射(CME)在行星际空间的传播和相互作用并最终形成“复杂抛射”的日地传输过程.首先在磁流体力学(MHD)数值模拟中应用Harten总变差减小(TVD)格式,通过调节计算模型中的引力无量纲参数α、等离子体参数β和气体多方指数γ,构造出数值计算所需的初态背景,使之在拉格朗日点处L1的太阳风速度vr、质子数密度Np及质子热压力与磁压力的比值βp与ACE卫星的观测数据一致.接着仅采用速度脉冲的扰动形式,其输入的幅度和持续时间由Lasco/C2、GOES、LEAR的观测数据并结合Michalek等提出的CME“锥模型”来确定.数值计算结果得到的两个激波到达时间和ACE卫星观测值的时间误差分别是3h和4h.这表明该模型能估算续发CME在行星际空间演化后驱动激波的到达时间和大致强度,在空间天气的激波到达时间的预报方面有潜在的应用价值.     

太阳高能粒子(SEP)传播数值模拟中的太阳风背景场研究

太阳高能粒子(SEP)事件是一类重要的空间天气灾害性事件,如能准确预报SEP事件,人们便可以采取必要的防护措施,保障卫星、星载设备以及航天员的安全,尽可能地降低经济损失.因此,其数值预报研究在空间天气预报研究中占有很重要的地位.SEP事件中的高能粒子在不同的时间尺度内被耀斑过程或者CME驱动的激波加速,并且在被扰动后的行星际太阳风中传输,这些过程都紧紧依赖于太阳风背景场.因此获取更加接近物理真实的太阳风背景场是模拟SEP事件的重要部分,也是提高SEP物理模式的关键因素之一.我们目前的工作基于张明等发展的SEP在行星际空间传播的模型,尝试将Parker太阳风速度解及WIND飞船观测的磁场实时数据融入模型中,研究不同的太阳风速度以及真实磁场分布对SEP在行星际空间中传播的影响.通过求解聚焦传输方程,我们的模拟结果表明:(1)快太阳风条件下,绝热冷却效应项发挥了更大的作用,使粒子能量衰减的更快,而慢太阳风对粒子的通量变化没有显著影响;(2)加入观测的磁场数据时,粒子的全向通量剖面发生了比较明显的变化,具体表现在:通量峰值推迟到达、出现多峰结构、各向异性也发生一些改变.分析表明真实磁场的极性对粒子在行星际空间中传播有着重要的影响.     

磁尾地向传播等离子体团的模拟研究

卫星观测证实了磁尾等离子体团与亚暴活动的相关性,除了具有北-南双极特征的尾向传播等离子体团外,还发现地向传播等离子体团,它们表现为南-北双极中性片事件和南-北双极瓣区讯号. 资料分析表明:南-北双极讯号的出现几率远低于北-南双极讯号,并且南-北双极事件主要发生于行星际磁场北向和地磁宁静条件,它们往往与小的孤立的地磁亚暴相关. 本文根据地磁宁静时期(IMF Bz北向且By≥Bz)越尾电场Ey分量的分布特点,对地向传播等离子体团作模拟研究. 两类算例的数值结果展示了通量绳磁结构及具有复杂闭合磁力线位形的等离子体团的基本特征,上述特征与尾向传播的等离子体团类似,与IMP 8卫星关于地向传播南-北中性片事件的观测特征大致相符. 数值结果还展示了与Schindler示意图相类似的磁力线拓扑位形,在一定程度上为南-北事件出现几率低作出了解释;并且揭示了磁尾中性片内越尾磁场分量By对磁重联发展的抑制作用. 本文的模拟研究说明:无论磁尾处于活动时期(IMF Bz为南向),还是宁静时期(IMF Bz为北向且By≥Bz),磁场重联均是磁尾等离子体加速和加热的通用机制.     

结合实地观测和STEREO/HI图像观测分析2010年CME事件

本文使用了基于单颗STEREO卫星日球层成像仪(Heliospheric Imager,HI)图像的固定Φ角拟合法(Fixed-Φ,FΦ)和调和均值拟合法(Harmonic-mean,HM),结合STEREO和ACE卫星的太阳风实地观测数据,深入分析了2010年15个日冕物质抛射(CME)事件,对比讨论了这两种方法在提取CME参数如太阳赤道平面的主传播方向、传播速度的效果,其中FΦ拟合法假设CME是固定方向传播的小质点,HM拟合法假设CME为具有球形前沿的通量绳结构,结果发现:(1)使用HM拟合法分析得到的CME主传播方向与太阳-实地观测点的夹角平均值是9.5°,小于FΦ拟合法的19.7°;(2)HM拟合法分析的预计到达时间与实测ICME起始时间的平均误差和最大误差分别为0.282天和0.805天,明显小于FΦ拟合法.本文也使用结合STEREO两颗卫星HI图像的直接三角法(Direct-triangulation,DT)和球面切线法(Tangent-to-a-sphere,TS),深入分析了5个朝向地球的CME事件,其中,DT和FΦ拟合法的假设相同,TS和HM拟合法的假设相同,结果发现:(1)这两种方法分析的CME主传播方向与日地连线的夹角最大值分别是13.2°和21.1°,明显小于单颗卫星观测的20.7°和27.5°;(2)其中4个CME事件使用方法得到的线性拟合加速度不超过0.4 m·s^-2,这说明CME在主传播方向上的速度变化在1AU内不超过100 km·s^-1;(3)使用TS方法得到的预计到达时间与实测ICME起始时间的绝对误差最小,平均值和最大值分别是2.3 h和5.8 h.可见,利用HI图像提取CME传播参数时,加入CME前沿结构假设和结合多角度观测都能够有效地减小拟合误差.     

激波在磁盔－电流片位场中的传播：（Ⅰ）激波与磁盔间的相互作用

利用新近获得的子午面磁盔－电流片背景太阳风稳态解，对激波从盔底沿电流片方向往外传播时与磁盔间的相互作用进行了数值模拟研究，重要新结果是：１．磁盔的存在使受扰介质速度跃变中央出现下凹，随着激波传出磁盔区并沿电流片方向传播，速度下凹逐渐减弱以致消失；２．激波将磁盔拉长并把盔顶的环形（垂直赤道面）磁场带到行星际空间，成为行星际磁场南向分量的来源之一；３．５个太阳半径（Ｒ⊙）内的磁盔部分将出现精细结构，沿盔外边界形成两条高速带，以及马蹄形密度（亮）环形结构等．这些结果表明，太阳附近高速等离子体与磁盔间存在重要的动力学相互作用过程，对行星际空间的太阳风三维结构有重要影响．     

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.     

激波在磁盔－电流片位场中的传播：（Ⅰ）激波与磁盔间的相互作用

利用新近获得的子午面磁盔－电流片背景太阳风稳态解，对激波从盔底沿电流片方向往外传播时与磁盔间的相互作用进行了数值模拟研究，重要新结果是：１．磁盔的存在使受扰介质速度跃变中央出现下凹，随着激波传出磁盔区并沿电流片方向传播，速度下凹逐渐减弱以致消失；２．激波将磁盔拉长并把盔顶的环形（垂直赤道面）磁场带到行星际空间，成为行星际磁场南向分量的来源之一；３．５个太阳半径（Ｒ⊙）内的磁盔部分将出现精细结构，沿盔外边界形成两条高速带，以及马蹄形密度（亮）环形结构等．这些结果表明，太阳附近高速等离子体与磁盔间存在重要的动力学相互作用过程，对行星际空间的太阳风三维结构有重要影响．     

Changes in the solar magnetic field preceding a coronal mass ejection

The combined observing power of the Yohkoh, SOHO and TRACE spacecraft, along with the continuing ground-based observations has proved invaluable for the detection of changes in the magnetic morphology preceding coronal mass ejections (CMEs). A wide range of activity from small scale dimmings to large scale eruptions covering half the solar disk have been observed. The relationship between flares and CMEs has also become clearer. Rather than one event causing the other it would seem that it is a global change in the magnetic field which causes both. Recently, there has been a lot of interest in the sigmoid (S-shaped) structures seen in soft X-rays. The likelihood of a CME occurring appears to increase if there is a sigmoidal structure observed. This has formed the basis of more extensive studies into predicting the time and location of a CME from the changes in behaviour of features on the solar disk.     

Analysis of the heliospheric current sheet fine structure: Single or multiple current sheets

When studying the heliospheric current sheet (HCS) local structure, it is not unusual to find wide HCS crossings. In this paper, we present one crossing that appears to have a complex internal structure composed of three parallel sheets and several possible HCS crossings that are consecutive and are on the order of minutes. Depending on their origin, different scenarios can explain multiple current sheets such as complex structures of helmet streamer at the Corona flowing into the solar wind, local waviness in the HCS structure, local oscillations of the HCS, and inverted magnetic fields or planar magnetic structures (PMS) close to the HCS. Distinguishing among these scenarios using just one observational point is very difficult because all of them are 3D structures. Nevertheless, we think that nearly parallel sheets are more likely in the first and in the last scenarios, i.e. multiple helmet streamer structure and PMS. In order to make the distinction between them, we have studied the possible reversal in the Q_e·B sign for every event. Our results suggest that the existence of not-wide HCS composed of multiple parallel sheets cannot be rejected.     

Polarization of compressible turbulent fluctuations in the solar wind plasma

Compressible fluctuations in solar wind plasma are analyzed on the basis of the 1995–2010 WIND and Advanced Composition Explorer (ACE) spacecraft data. In the low-speed solar wind (V ₀ < 430 km/s), correlations between fluctuations in the magnetic field direction and plasma density, as well as between velocity fluctuations and plasma density, are found. The covariance functions of these parameters calculated as functions of the local magnetic field direction are axially symmetric relative to the axis, which is oriented nearly along the regular magnetic field of the heliosphere (the Parker spiral). Fluctuations in the magnetic field and velocity are polarized in the plane that is orthogonal to the axis of symmetry. Plasma oscillations of these properties can be caused by fast magnetosonic waves propagating from the Sun along the Parker spiral.     

Analysis of the ionospheric cross polar cap potentialdrop and electrostatic potential distribution patternsduring the January 1997 cme event using DMSP data

On 6 January 1997 a coronal mass ejection (CME) occurred on the sun producing amagnetic cloud in the solar wind that passed the Earth on 10–11 January 1997 and caused ageomagnetic storm. During this period there were two polar-orbiting DMSP spacecraft (F12 andF13) at 840 km carrying the SSIES plasma instruments on board, which measure the bulk flowvelocity of the thermal ions of the ionospheric plasma. These data are used to calculate theelectric field and electrostatic potential along the flight track of the spacecraft in the polar regions.The time history of the observed total cross polar cap potential drop for this event is presentedalong with comparisons to the estimates from the Weimer model and observations of the aurorafrom the UVI instrument on the POLAR spacecraft. A surprisingly large potential drop of 235 kVis observed at one point and appears to be the result of a pressure pulse in the solar windtriggering an enhancement of the geomagnetic activity. An examination of the electrostaticpotential distribution patterns in the polar ionosphere during the event is also presented.     

Streamer belt in the solar corona and the Earth’s orbit

It has been indicated that the cross section of the streamer belt in the solar corona and its extension in the heliosphere—heliospheric plasma sheet (HPS)—have the form of two radially oriented closely located (at a distance of d ≈ 2.0–2.5° in the heliocentric coordinate system) rays with increased and generally different densities. The angular dimensions of the rays are ≈d. The neutral line of the magnetic field in the corona and the related sector boundary in the Earth’s orbit are located between the peaks of densities of these two rays. In the events, during which the true sector boundary coincides with the heliospheric current sheet, the transverse structure of the streamer belt in the heliosphere (or the HPS structure) is quasistationary; i.e., this structure slightly changes when the solar wind moves from the Sun to the Earth in, at least, 50% of cases. A hypothesis that a slow solar wind, flowing in the rays with increased density of the streamer belt, is probably generated on the Sun’s surface rather than at the top of the helmet, as was assumed in [Wang et al., 2000], is put forward.     

Correlation between the parameters of coronal mass ejections and features of their propagation in the corona with the large-scale structure of the solar magnetic field

Correlation between the parameters of coronal mass ejections (CMEs) that are detected on the LASCO coronographs and are associated with eruptive prominences and the distances of CME axes from the coronal streamer belt has been analyzed. The deviations of CME trajectories from the radial direction have been investigated.     

Energy of coronal mass ejections and large-scale structure of solar magnetic fields

The relationship between variations of the energy and linear velocity of coronal mass ejections (CME) and the typical dimensions of structural elements of the large-scale solar magnetic field structure (LSMFS) is investigated for the period of 1996–2014. It is shown that the maximum linear velocity and maximum energy of CME correspond to the values of the effective solar multipole index n ~ 4.0–4.4. These values determine the maximum size of the complexes of active regions, which, together with the observed maximum values of magnetic field intensity in the complexes, limit the possible maximum CME energy.