日冕物质抛射传播过程模拟研究

日冕物质抛射(coronal mass ejection,CME)是一种由太阳的剧烈活动所引发的空间天气现象,如何针对特定的CME/太阳风暴事件了解其日冕/行星际传播及演化过程,预报是否以及何时到达地球轨道,预测近地空间太阳风状态相应的变化,是空间天气科学界一直关注的重要课题之一.CME通常携带巨大的能量,当其到达地球...     

冕洞阻碍太阳高能粒子事件形成的典型事例分析

通过对比两次快速晕状日冕物质抛射(CME)事件,分析相应的日面和行星际的观测资料,发现源区距离冕洞较远的CME引起了极强的太阳高能粒子(Solar Energetic Particle,SEP)事件,而源区非常靠近冕洞的CME则没有引起大的SEP事件.该结果表明,冕洞可能对CME形成SEP事件有阻碍作用.继而分析1997～2003年所有爆发在冕洞边缘的快速晕状CME,发现源区离冕洞距离小于02Rs(太阳半径)的CME均没有引起大的SEP事件.从而进一步证实了冕洞可能对邻近CME形成大SEP事件有影响,它阻碍SEP事件的形成.最后讨论了冕洞阻碍CME形成大SEP事件的可能原因.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

一个新的太阳宇宙线的日-地传输模型

提出了一个新的太阳宇宙线日 -地传输的数学模型 ,它包括日冕粒子分布源和行星际传播方程 .根据对太阳宇宙线耀斑黑子群特征和耀斑相的观测 ,提出了多极性黑子湮没的两阶段日冕传输过程和传输方程 ,得到了与观测特征一致的日冕粒子分布源 .日冕传输的第一阶段 ,和太阳耀斑脉冲相的时间相当 ,加速粒子通过扩散很快均匀地分布在耀斑区 ,形成所谓快传播区 .第二阶段 ,加速粒子向快传播区以外的日冕区扩散并向行星际空间逃逸 ,形成慢传播过程 .日冕传输模型的数值结果和日冕传输的观测特征符合 .太阳宇宙线的行星际传播采用三维正交均匀各向异性方程描述 .最后把模型的数值结果与 1 997年 9月 2 4日事件的SOHO（SolarandHeliosphericObservatory）观测资料作了比较 .能较好地符合 .     

特大地磁暴的一种行星际源:多重磁云

2001年3月31日观测到的大的多重磁云(Multi MC)事件造成了第23周太阳峰年(2000～2001)最大的地磁暴(Dst=-387nT). 通过分析ACE飞船的观测数据, 描述了这个多重磁云在1AU处的磁场和等离子体特征. 并且根据SOHO和GOES卫星的观测资料, 认证了它的太阳源. 在这次事件中, 由于多重磁云内部异常增强的南向磁场, 使之地磁效应变得更强, 它大大的延长了地磁暴的持续时间. 观测结果与理论分析表明, 多重磁云中子磁云的相互挤压使磁云内的磁场强度及其南向分量增强数倍, 从而加强了地磁效应. 因此, 研究认为多重磁云中子磁云之间的相互压缩是造成特大地磁暴的一种机制. 此外, 研究发现形成多重磁云的日冕物质抛射(CMEs)并不一定要来自同一太阳活动区.     

对自相似扩展(SSE)模型的改进和研究

自相似扩展拟合法(Self-Similar Expansion,SSE)假设日冕物质抛射(CME)具有恒定角宽度、沿径向向外传播的、自相似扩展的球形前沿,由日心出发的、与这个球形前沿相切的圆锥的圆锥角就是通常所说的CME角宽度,半角宽度取值范围是[0°,90°],固定Φ角拟合法(Fixed-Φ,FΦ)和调和均值拟合法(Harmonic-mean,HM)分别对应SSE模型的半角宽度为0°和90°的特殊情况.本文中修改后的自相似扩展拟合法(MSSE)假设CME具有自相似扩展的半球形前沿,能够提取的CME参数包括由日心出发的、圆锥截面过球心的圆锥的半圆锥角和CME的主传播方向、传播速度,其中半圆锥角取值范围是[0°,90°],FΦ和HM分别对应MSSE模型的半圆锥角为0°和45°的特殊情况,半圆锥角为90°时,CME前沿是以日心为圆心的半圆.MSSE拟合法扩大了SSE模型对CME前沿形态的描述范围,将半圆锥角作为判断CME是否能够到达、何时到达某颗卫星的重要参数.基于单颗STEREO卫星日球层成像仪(Heliospheric Imager,HI)图像,结合STEREO和ACE卫星的太阳风实地观测数据,本文深入分析了2010年23个CME事件,结果发现:在用于预报CME事件是否能到达某颗卫星、何时到达时,MSSE拟合法相比FΦ、HM和SSE拟合法,不但可以更准确地拟合CME主传播方向和传播速度,也可以缩小预计到达时间和到达速度的误差.     

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     

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.     

太阳X-EUV成像望远镜

太阳X_EUV成像望远镜用来监测和预报影响空间天气变化的太阳活动,专门服务于空间天气预报研究. 望远镜工作在4～100?的X射线波段和195?极紫外谱段,视场角45′,角度分辨5″,提供全日面、高分辨的成像观测. 文中分析了太阳X、EUV波段的成像观测应用,介绍了X_EUV望远镜的基本设计,分析了望远镜对不同温度日冕等离子体的敏感性、对不同太阳活动现象的响应及反演日冕等离子体参数过滤片的组合利用. 太阳X_EUV成像望远镜集成了掠入射望远镜和正入射望远镜两套系统,扩展了单一X射线望远镜的成像功能,能够观测更多的太阳爆发先兆现象或者伴生现象,是目前国际上同类仪器中最新的太阳成像监测仪器.     

1997年1月事件行星际扰动在三维背景太阳风中传播的数值模拟

利用一个三维的MHD模式,从数值预报的角度出发,以1997年1月事件的有关太阳观测为依据,构造比较符合物理实际的边值条件,通过三维数值模拟得到了稳定的比较接近真实的太阳风背景场.结果显示此次事件太阳风背景场的磁场关于赤道面不对称,有较明显的倾斜和扭曲,同时磁场较弱;等离子体各参量相对于事件的太阳源为东西和南北不对称结构.本文数值模拟了磁场南北分量Bθ的不同取法对背景场的影响,结果表明在源表面磁场有明显倾斜的情况下,内边界处磁场南北分量不宜假设为零.在此基础上,初步数值研究了行星际扰动在三维背景场中的传播过程,并与WIND卫星的观测进行了对比.     

太阳等离子体和磁场输出源表面结构的一种MHD模型

以观测到的光球视向磁场、Ｋ－日冕亮度作为输入,以相应的统计结果为约束条件,利用磁流体力学方程组,给出了等离子体及磁场各参数在源表面上的二维分布．其结果与同期的卫星观测数据和已有的统计结果相比较,显示出相当程度的一致性．     

CME和冕流结构相互作用机制的数值模拟研究

1980年4月14日SMM卫星曾经观测到了爆发在两冕流结构之间开放磁场中的CME独特的传播特征以及冕流结构的畸变和偏转。本文采用了2.5维MHD方程,用数值模拟方法研究了CME和冕流结构之间复杂的相互作用过程.模拟结果不但展现了SMM卫星所观测到的CME的独特的传播特征和冕流结构的畸变和偏转,而且还发现了在冕流结构和CME的相互作用中,冕流结构内部轴向磁场分量的反转效应.模拟结果对磁云和磁暴活动的研究也具有一定的意义.     

2007-2012年Dstmin≤-50nT的中等以上地磁暴的行星际源统计

地磁暴的行星际源研究是了解及预报地磁暴的关键因素之一.本文研究了2007-2012年间的所有Dst_min ≤-50 nT的中等以上地磁暴,建立了这些地磁暴及其行星际源的列表.在这6年中,共发生了51次Dst_min≤-50 nT的中等以上地磁暴,其中9次为Dst_min≤-100 nT的强地磁暴事件.对比上一活动周相同时间段发现,在这段太阳活动极低的时间,地磁暴的数目显著减少.对这些地磁暴行星际源的分析表明,65%的中等以上地磁暴由与日冕物质抛射相关的行星际结构引起,31%的地磁暴由共转相互作用区引起,这与以前的结果一致.特别的,在这个太阳活动极低时期内,共转相互作用区没有引起Dst_min≤-100 nT的强地磁暴,同时,日冕物质抛射相关结构也没有引起Dst_min≤-200 nT的超强地磁暴.以上结果表明极低太阳活动同时导致了共转相互作用区和日冕物质抛射地磁效应的减弱.进一步,分析不同太阳活动期间地磁暴的行星际源发现:在太阳活动低年(2007-2009年),共转相互作用区是引起地磁暴的主要原因; 而在太阳活动上升期和高年(2010-2013年),大部分(75%,30/40)的中等以上地磁暴均由日冕物质抛射相关结构引起.     

太阳宇宙线的行星际扰动

研究了太阳宇宙线在日冕区的横向传播特性,提出了具有扩散和逃逸过程的日冕分布粒子源,求出了含有该粒子源的行星际传输有源方程的解,并利用IMP-8,Helios-1和Helios-2观测到的同一事件不同空间位置的耀斑粒子资料对模型作了检验．并研究了同一质子事件在1AU处不同时间的粒子强度随经度的分布     

日冕物质抛射与太阳粒子事件

本文介绍了２０多年来对日冕物质抛射与太阳粒子事件的关系和太阳粒子事件的源等方面的研究成果和进展。大量的研究表明，太阳粒子事件源于日冕物质抛射并被日冕和行星际激波加速和控制。在无耀斑源的日冕和行星际激波加速和控制。只有极少数产生太阳粒子事件，并且这些事件中多数为低能粒子事件。这些相关日冕物质抛射的共同特征是：无相关的强Ｘ射线爆发，产生的行星际激波速度较快，无激波加速，无Ⅱ和Ⅳ米波爆发。几乎所有的产生