基于多视角观测的SEP事件与twin-CME关系研究

本文联合SOHO和STEREO-A/B（三视角）日冕观测和太阳高能粒子（SEP）观测,分析了2007—2014年间169个快速（速度>900 km·s^-1）、宽角度（>60°）日冕物质抛射（CME）及其先行CME和关联SEP事件.通过相关分析,给出了SOHO/EPHIN 25~53MeV及STEREO/HET 23.8~60 MeV能量范围的大SEP事件通量判断阈值,分别为0.01和0.014（cm²·s·sr·MeV）^-1.三视角CME观测能有效地避免投影效应产生的twin-CME事件误判,统计得到单一视角确定twin-CME事件的误判率一般低于10%,最高不超过15%.基于三视角判断的twin-CME事件及SEP事件峰值强度,得到判断twin-CME事件的时间阈值最短约为9 h（9~13 h）.single-CME产生的SEP事件强度与CME速度、动能的相关性明显高于twin-CME,并且三视角下的相关性结果与单视角类似.结果表明,一个主CME可能存在多个先行CME,依据单卫星观测判断先行CME时有一定的误判几率,但少数单个先行CME的误判并不影响基于单卫星的统计规律或统计结果.     

2000年7月14日太阳高能粒子事件引起地球同步轨道区相对论电子通量巨幅增加

2000年7月14日10:24UT一个X5.6级的耀斑暴发生在太阳中心子午线附近(AR 9077), 同时伴随着一个朝向地球的CME事件及太阳高能粒子(Solar Energetic Particle, SEP)事件. 这次耀斑暴发及CME事件引起了地球磁层、电离层及高层大气的强烈扰动. 中国“风云二号(B)”卫星上的高能粒子探测器(EPD)观测到SEP事件期间, 同步轨道区高能质子、相对论电子有非常剧烈的增加. SEP期间, 高能质子对相对论电子通量的探测造成严重的污染. 结合“风云二号(B)”卫星上的高能粒子探测器(EPD)的特性, 建立了一种从相对论电子通量探测中“清除”高能质子“污染”的方法, 并对相对论电子通量的探测数据实施“清洁”处理. “纯净的”相对论电子通量探测结果显示, 当行星际磁场南向时, 上游太阳风中的高能电子使同步轨道区相对论电子通量有大幅度的增加.     

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.     

运用三维运动学模型对行星际磁场南北分量的预测

提出一种可能产生行星际磁场南北分量扰动的物理机制,并将此物理机制运用于三维运动学模型,对原模型作了改进. 使用改进后的模型模拟研究了1997年5月12日06:30UT爆发的晕状(halo)日冕物质抛射(CME)事件对行星际磁场和等离子体的扰动,以及1978-1981年间17个与CME有关的行星际扰动事件. 在17个事件中有14个事件可准确预测出行星际磁场南北分量的方向,准确率为82%. 结果表明,模型计算出的行星际磁场南北分量的扰动方向与观测的方向是基本一致的.     

我国宇宙线空间物理学的进展

本文介绍了宇宙线空间物理学在我国的形成和主要研究内容,包括:(1)空间探测,有火箭探测、卫星探测;地面宇宙线台站观测;宇宙线的水下测量;(2)宇宙线空间物理学研究,有宇宙线的日地传输;宇宙线强度变化与CME事件;宇宙线的源物质与加速过程;宇宙线的地球物理效应.最后提到宇宙线与人体健康,特别是流行性感冒、大的太阳质子事件与地震现象、太阳宇宙线事件与天气和气候等的统计研究.     

冕洞与太阳风高速流关系的统计研究:到达时间、持续时间和峰值强度

冕洞是太阳风高速流的源区.当冕洞出现在中低纬区域时,太阳风高速流会扫过地球并引发地球空间环境扰动,如地磁暴和高能电子暴等.在太阳活动周下降年和低年,这种类型的扰动占据主导地位.因此,冕洞高速流的到达时间、峰值时间、峰值强度和持续时间等,是空间天气预报的重要内容.本文基于2010年5月到2016年12月的SDO/AIA太阳极紫外图像以及1AU处ACE和WIND卫星的太阳风观测数据,确定了160个冕洞-太阳风高速流事件,定量计算了他们的特征参数,包括冕洞与太阳风高速流的开始时间、峰值时间、峰值强度和结束时间,分析了各个特征参数的分布规律,对冕洞-高速流之间的关系进行了统计研究,并提出了一种新的预报方法,为基于冕洞成像观测的太阳风高速流的精准预报提供了依据.     

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.     

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.     

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.     

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.     

太阳质子事件、双带耀斑及日冕物质抛射

本文统计了第２２ 太阳活动周期间（１９９１ ～１９９５ 年） 发生的２５ 个太阳质子事件与太阳耀斑及日冕物质抛射（ＣＭＥ） 事件的关系　　统计结果表明, 所有的太阳质子事件都与耀斑发生相关, 除２ 个质子事件（１９９４１０２０ 和１９９５１０２０ 日发生的太阳质子事件） 与ＣＭＥ发生无关, 其余质子事件也都与ＣＭＥ 相关　　值得注意的是, 与质子事件相关的耀斑有１６ 个是双带耀斑, 其中包括与ＣＭＥ无关的２ 个事件的耀斑, 占总数的６４ ％ 　　上述统计结果证实了无论是太阳耀斑, 还是物质抛射, 它们对太阳质子事件的发生同样起着非常重要的作用     

Statistical Studies of Coronal Mass Ejections and Coronal Holes

Statistical studies of coronal mass ejections (CMEs) and coronal holes (CHs) are reviewed. The work summarizes the historical and current results of statistical studies of CMEs and CHs and their parameters that have been obtained by various authors who considered these phenomena as independent manifestations of solar activity, as well as their mutual effect on geomagnetic activity, based on both ground and space observations.     

Method for determining the parameters of full halo coronal mass ejections

A method for determining the parameters of halo-type coronal mass ejections (full halo CMEs)—direction of motion, angular size, CME velocity along the Sun-Earth axis, etc.—has been proposed and tested. The method is based on the found empirical dependence between the angular sizes of CMEs located near the sky plane and angular sizes of associated eruptive prominences or post-eruptive arcades as well as on the relationships between the halo CME parameters derived in a simple geometrical CME model. Using this method and the SOHO/LASCO C3 and SOHO/EIT data, the parameters of 33 full halo CMEs have been determined. It is concluded that (1) the trajectories of all considered full halo CMEs deviate with recession of the CME front to R _F > (2–5)R ₀ toward the Sun-Earth axis; (2) the majority of full halo CMEs recorded by LASCO C3 coronagraphs have relatively large angular sizes, 2α > 60°.     

Solar connections of geoeffective magnetic structures

Coronal mass ejections (CMEs) and high-speed solar wind streams (HSS) are two solar phenomena that produce large-scale structures in the interplanetary (IP) medium. CMEs evolve into interplanetary CMEs (ICMEs) and the HSS result in corotating interaction regions (CIRs) when they interact with preceding slow solar wind. This paper summarizes the properties of these structures and describes their geoeffectiveness. The primary focus is on the intense storms of solar cycle 23 because this is the first solar cycle during which simultaneous, extensive, and uniform data on solar, IP, and geospace phenomena exist. After presenting illustrative examples of coronal holes and CMEs, I discuss the internal structure of ICMEs, in particular the magnetic clouds (MCs). I then discuss how the magnetic field and speed correlate in the sheath and cloud portions of ICMEs. CME speed measured near the Sun also has significant correlations with the speed and magnetic field strengths measured at 1 AU. The dependence of storm intensity on MC, sheath, and CME properties is discussed pointing to the close connection between solar and IP phenomena. I compare the delay time between MC arrival at 1 AU and the peak time of storms for the cloud and sheath portions and show that the internal structure of MCs leads to the variations in the observed delay times. Finally, we examine the variation of solar-source latitudes of IP structures as a function of the solar cycle and find that they have to be very close to the disk center.     

Early life of coronal mass ejections

Coronal mass ejections (CMEs) are large-scale magnetized plasma structures ejected from closed magnetic field regions of the Sun. White light coronagraphic observations from ground and space have provided extensive information on CMEs in the outer corona. However, our understanding of the solar origin and early life of CMEs is still in an elementary stage because of lack of adequate observations. Recent space missions such as Yohkoh and Solar and Heliospheric Observatory (SOHO) and ground-based radioheliographs at Nobeyama and Nancay have accumulated a wealth of information on the manifestations of CMEs near the solar surface. We review some of these observations in an attempt to relate them to what we already know about CMEs. Our discussion relies heavily on non-coronagraphic data combined with coronagraphic data. Specifically, we discuss the following aspects of CMEs: (i) coronal dimming and global disk signatures, (ii) non-radial propagation during the early phase, (iii) Photospheric magnetic field changes during CMEs, and (iv) acceleration of fast CMEs. The relative positions and evolution of coronal dimming, arcade formation, prominence eruption will be discussed using specific events. The magnitude and spatial extent of CME acceleration may be an important parameter that distinguishes fast and slow CMEs.     

第23太阳活动周期太阳风参数及地磁指数的统计分析

日冕物质抛射(Coronal Mass Ejection,简称CME)和共转相互作用区(Corotating Interaction Region,简称CIR)是造成日地空间行星际扰动和地磁扰动的两个主要原因,提供了地球磁暴的主要驱动力,进而显著影响地球空间环境.为深入研究太阳风活动及受其主导影响的地磁活动的时间分布特征,本文对大量太阳风参数及地磁活动指数的数据进行了详细分析.首先,采用由NASA OMNIWeb提供的太阳风参数及地磁活动指数的公开数据,通过自主编写matlab程序对第23太阳活动周期(1996-01-01—2008-12-31)的数据包括行星际磁场Bz分量、太阳风速度、太阳风质子密度、太阳风动压等重要太阳风参数及Dst指数、AE指数、Kp指数等主要的地磁指数进行统计分析,建立了包括269个CME事件和456个CIR事件列表的数据库.采用事例分析法和时间序列叠加法分别对两类太阳活动的四个重要太阳风参数(IMF Bz、太阳风速度、太阳风质子密度、太阳风动压)和三个主要地磁指数(Dst、AE、Kp)进行统计分析,并研究了其统计特征.其次,根据Dst指数最小值确定了第23太阳活动周期内的355个孤立地磁暴事件,并以Dst指数最小值为标准将这些磁暴进一步分类为145个弱磁暴、123个中等磁暴、70个强磁暴、12个剧烈磁暴和5个巨大磁暴.最后,采用时间序列叠加法对不同强度磁暴的太阳风参数和地磁指数进行统计分析.统计分析表明,对于CME事件,Nsw/Pdyn(Nsw表示太阳风质子密度,Pdyn表示太阳风动压)线性拟合斜率一般为正;对于CIR事件,Nsw/Pdyn线性拟合斜率一般为负,这可作为辨别CME和CIR事件的一种有效方法.从平均意义上讲,相较于CIR事件,CME事件有更大的南向IMF Bz分量、太阳风动压Pdyn、AE指数、Kp指数以及更小的Dstmin.一般情况下,CME事件有更大的可能性驱动极强地磁暴.总体而言,对于不同强度的地磁暴,Dst指数的变化呈现出一定的相似性,但随着地磁暴强度的增强,Dst指数衰减的速度变快.CME和CIR事件以及其各自驱动的地磁暴事件有着很多不同,因此,需要将CME事件驱动的磁暴及CIR事件驱动的磁暴分开研究.建立CME、CIR事件及地磁暴的数据库以及获取的统计分析结果,将为深入研究地球磁层等离子体片、辐射带及环电流对太阳活动的响应特征提供有利的帮助.     

Vla and Spacecraft Observations of Solar Activity

We describe the world's largest synthesis radio telescope, the Very Large Array (VLA), and how it can be used to complement observations with the Solar and Heliospheric Observatory (SOHO) and the Yohkoh solar spacecraft. The VLA provides images with high spatial and temporal resolution, often across the visible solar disk. The VLA also detects nonthermal radiation that is not observed with SOHO and Yohkoh, and provides estimates for the coronal magnetic field strengths that are not directly measured by these spacecraft. The VLA data can be combined with SOHO CDS, SOHO EIT, or Yohkoh SXT observations to provide new insights to the compact, variable sources, called blinkers and bright points, in the solar transition region or low corona. A new 400 cm VLA system provides images of nonthermal burst activity associated with Coronal Mass Ejections (CMEs), and may detect thermal emission from CMEs, that can be compared with SOHO's LASCO and EIT instruments to obtain new information about the origin and evolution of CMEs.     

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.     

暗条爆发与日冕物质抛射

本文对太阳活动区ＡＲ６８９１ 中两个暗条爆发的磁场环境、及爆发所引起的日地物理效应进行了比较和分析结果表明, 出现在靠近大尺度单极区的活动区暗条爆发, 可能导致较强烈的日冕物质抛射