行星际背景太阳风的三维MHD数值模拟

近地空间的太阳风参数预报具有重要的科学研究意义和实际应用价值,三维磁流体力学（MHD）数值模拟是太阳风参数预报的重要手段.本文建立了一套基于经验模型的三维MHD数值模型.模型的内边界设置在0.1天文单位（AU）处,在六片网格系统下利用TVD Lax-Friedrich格式求解理想MHD方程组,采用扩散法消除磁场的散度.模型以GONG的观测磁图作为输入数据,利用经验模型并结合卫星观测特征确定内边界条件.边界条件中保留了6个可调参数,以便适当调整参数使其方便适合模拟不同太阳活动期的太阳风.利用该模型分别模拟了2007年和2016年的背景太阳风,得到了太阳风速度、密度、温度和磁场强度,这些参数与ACE/WIND卫星观测符合较好.

     

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.     

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.     

行星际中间激波的演化

本文采用特征线方法和激波装配法,对磁流体中间激波在行星际空间的演化过程进行数值模拟。主要结论如下:（1） 2→4型中间激波通过向下游发出后向慢压缩波使下游态磁场减幅,通过向上游发出前向快压缩波使上游态磁场增幅,以致2→4型中间激波迅速经导灭激波向慢激波转化;所发出的前向快压缩波经非线性变陡形成快激波。（2）1→3型中间激波首先通过向下游发出前向慢稀疏波而很快变成1→3=4型临界中间激波,并瞬间转变为由前向快激波和前向2→4型中间激波构成的激波系统。其中,2→4型中间激波可在其前导快激波的下游传播较远的距离,有可能为 IAU 附近的飞船观测到,但最终导灭激波转变为慢激波。     

行星际中间激波的演化

本文采用特征线方法和激波装配法,对磁流体中间激波在行星际空间的演化过程进行数值模拟。主要结论如下:（1） 2→4型中间激波通过向下游发出后向慢压缩波使下游态磁场减幅,通过向上游发出前向快压缩波使上游态磁场增幅,以致2→4型中间激波迅速经导灭激波向慢激波转化;所发出的前向快压缩波经非线性变陡形成快激波。（2）1→3型中间激波首先通过向下游发出前向慢稀疏波而很快变成1→3=4型临界中间激波,并瞬间转变为由前向快激波和前向2→4型中间激波构成的激波系统。其中,2→4型中间激波可在其前导快激波的下游传播较远的距离,有可能为 IAU 附近的飞船观测到,但最终导灭激波转变为慢激波。     

行星际磁场北向时太阳风－磁层的能量耦合

利用量纲分析法研究太阳风磁层的能量耦合问题。得到了在考虑磁层对太阳风的粘滞作用情况下，行星际磁场北向时的太阳风－磁层能量耦合函数，并首次在耦合函数中引入太阳风温度变量，在此基础上得到了一般情况下的太阳风－磁层耦合函数．     

行星际磁场北向时太阳风－磁层的能量耦合

利用量纲分析法研究太阳风磁层的能量耦合问题。得到了在考虑磁层对太阳风的粘滞作用情况下,行星际磁场北向时的太阳风－磁层能量耦合函数,并首次在耦合函数中引入太阳风温度变量,在此基础上得到了一般情况下的太阳风－磁层耦合函数．     

行星际磁场北向时太阳风－磁层的能量耦合

利用量纲分析法研究太阳风磁层的能量耦合问题。得到了在考虑磁层对太阳风的粘滞作用情况下，行星际磁场北向时的太阳风－磁层能量耦合函数，并首次在耦合函数中引入太阳风温度变量，在此基础上得到了一般情况下的太阳风－磁层耦合函数．     

行星际中间激波

在行星际空间可能存在由各类激波连接而成的混合激波,其组成部分的连接方式和时间演化遵循“慢激波—导灭激波—中间激波—导生激波—快激波”链式规则.中间激波将作为混合激波的必要组成部分,出现在日球电流片的附近,其阵面凹向太阳.上述结论已初步为观测证实,并对行星际激波的三维特性有着重要影响.     

五矩二流太阳风等离子体特性的数值研究

本文数值求解了各向同性二流太阳风的五矩方程组,得出了1 Rs—2AU区域内太阳风密度、速度、电子和质子温度、它们的热流通量密度q以及非麦克斯韦分布尾部粒子过剩量ξ随日心距离的变化关系.文中比较了二流太阳风五矩模型、四矩模型（ξ=0）和低阶矩模型（不包括q和ξ二个矩方程）的等离子体特性,着重讨论了量ξ对质子温度及其热流通量的影响.结果表明,包括言的五矩方程可改善Te/Tp和qe/qp的计算值与观测值的符合程度.     

近日太阳风中磁场回弯结构的MHD模拟

帕克太阳探针(Parker Solar Probe,PSP)在太阳附近发现大量磁力线回弯结构,通常还伴随有太阳风速度增加.这些磁力线回弯的产生机制到目前为止有多种解释,其中有代表性的一种是由慢太阳风中的喷流引起的.我们首先对PSP的就地观测数据进行了统计分析并给出了发生率和空间尺度随径向距离的演化情况,然后使用简化的1.5维磁流体动力学(magnetohydrodynamics,MHD)模型对喷流在太阳风中的演化进行了模拟,其中太阳风被简化为位于黄道面的球对称流.模拟结果表明喷流的确可以导致太阳附近磁力线发生偏转,验证了喷流可以对磁场方向改变有贡献的图景.不过喷流形成的原因还需要进一步研究.

     

Signatures of interplanetary transients behind shocks and their associated near-surface solar activity

Interplanetary transients with particular signatures different from the normal solar wind have been observed behind interplanetary shocks and also without shocks. In this paper we have selected four well-known transient interplanetary signatures, namely: magnetic clouds, helium enhancements and bidirectional electron and ion fluxes, found in the solar wind behind shocks, and undertaken a correlative study between them and the corresponding solar observations. We found that although commonly different signatures appear in a single interplanetary transient event, they are not necessarily simultaneous, that is, they may belong to different plasma regions within the ejecta, which suggests that they may be generated by complex processes involving the ejection of plasma from different solar regions. We also found that more than 90% of these signatures correspond to cases when an H flare and the eruption of a filament occurred near solar central meridian between 1 and 4 days before the observation of the disturbance at 1 AU, the highest association being with flares taking place between 2 and 3 days before. The majority of the H flares were also accompanied by soft X-ray events. We also studied the longitudinal distribution of the associated solar events and found that between 80% and 90% of the interplanetary ejecta were associated with solar events within a longitudinal band of ±30° from the solar central meridian. An east-west asymmetry in the associated solar events seems to exist for some of the signatures. We also look for coronal holes adjacent to the site of the explosive event and find that they were present almost in every case.     

太阳风在地球激波前兆区减速的统计研究

本文首次利用完全相同两颗卫星（CLUSTER C1和C3）的数据对地球激波前兆区太阳风的减速和偏转特性进行了统计研究.结果表明,在激波前兆坐标系中,太阳风减小的速度随观测点到激波的距离D_BS增大而减小,随行星际磁场与激波法向夹角θ_BN增大也减小,在ULF波动区深度D_WS小于6R_e(R_e为地球半径)的范围内最为显著;伴随着太阳风减速的另外一个现象——太阳风的偏转,也存在相似的规律.其最大减速和最大偏转角度分别为10 km/s和3°.太阳风减速和偏转,以及随之变化的太阳风动压,可能会引起地球磁层顶位置和形状发生改变,同时也为激波前兆区弥散（diffuse）离子的起源及加热提供了一种可能的机制.     

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.     

Simultaneous interplanetary scintillation and optical measurements of the acceleration of the slow solar wind

Simultaneous observations of the slow solar wind off the southeast limb of the Sun were made in May 1999 using optical measurements from the C2 and C3 LASCO coronagraphs on board the SOHO spacecraft and radio-scattering measurements from the MERLIN and EISCAT facilities. The observations show the slow solar wind accelerating outwards from 4.5 solar radii (R), reaching a final velocity of 200–300 km s^-1 by 25–30 R. The acceleration profile indicated by these results is more gentle than the average profile seen in earlier LASCO observations of larger scale features, but is within the variation seen in these studies.     

Measurements of the direction of the solar wind using interplanetary scintillation

EISCAT observations of the interplanetary scintillation of a single source were made over an extended period of time, during which the orientation of the baselines between the two observing sites changed significantly. Assuming that maximum correlation between the scintillations observed at the two sites occurs when the projected baseline is parallel to the direction of plasma flow, this technique can be used to make a unique determination of the direction of the solar wind. In the past it has usually been assumed that the plasma flow is radial, but measurements of eleven sources using this technique have indicated conclusively that in at least six cases observed at mid or high heliocentric latitude there is a significant non-radial component directed in four cases towards the heliocentric equator and in two cases towards the pole.     

磁场散度为零的变分重构法在日冕太阳风数值模拟中的应用

本文利用保持平均磁场散度为零的限制条件,设计出了满足全局散度为零的变分重构方法（Globally solenoidality-preserving variational reconstruction approach,VR-GSP）,并将其应用于日冕太阳风磁流体力学（Magnetohydrodynamics,MHD）数值模拟中的磁场重构.为评估该方法的有效性,我们模拟了2234卡林顿周（Carrington rotation,CR）的日冕结构.在模拟中,我们将VR-GSP方法与Feng等（2019）中的基于最小二乘法的全局磁场散度为零的重构方法（Globally solenoidality-preserving least-squares method,LSQ-GSP）作了比较.比较结果显示,基于VR-GSP方法的MHD模拟同样再现了Solar Dynamics Observatory（SDO）卫星、Solar and Heliospheric Observatory（SOHO）飞船以及Wind卫星观测到的包括冕流以及高低速流等大尺度日冕结构,而且相比于LSQ-GSP,基于VR-GSP的MHD模拟的计算效率更高,从而也说明其更有助于在有限体积框架下设计出满足磁场散度为零的高效和紧致的数值方法,并应用于研究复杂强磁场环境下的磁流体力学问题.

     

等离子体片离子与太阳风及地磁条件的关联研究

本文根据搭载于Cluster卫星的CIS/CODIF和RAPID仪器的观测数据,统计研究了等离子体片中的H+、O+离子在磁暴期间的时间变化特性,及其对太阳风条件的响应.观测结果表明：(1) 磁暴开始前,O+离子（0~40 keV）数密度保持在较低水平.随着磁暴的发展,O+数密度缓慢上升,其峰值出现在Dst极小值附近;H+离子(0~40 keV)数密度在磁暴开始之前的较短时间迅速增加并达到峰值,在磁暴开始之后迅速降低,并在整个主相和恢复相期间保持在相对较低水平.更高能量的离子则在磁暴开始后迅速增多,并在低能O+离子达到峰值之前达到峰值.因此我们推测磁暴初期从等离子体片注入环电流的主要是H+离子,主相后期O+离子可能扮演更为重要的角色.(2)在地磁活动时期,太阳风密度和动压强与等离子体片中的H+、O+数密度存在一定相关性.等离子体片中的H+离子对北向IMF Bz较为敏感,而IMF Bz南向条件下更有利于太阳风参数对等离子体片中O+数密度的影响.在地磁活动平静期,太阳风条件对等离子体片中的离子没有明显影响.     

太阳风压力系数的研究

利用全球磁流体力学(MHD)的模拟结果,研究了太阳风压力系数与上游太阳风参数和日下点磁层顶张角的相关性.在识别出日下点附近磁层顶位置后,通过拟合得到日下点附近的磁层顶张角.在考虑上游太阳风中的磁压和热压以及磁层顶外侧的太阳风动压的情况下,计算了太阳风压力系数.通过分析行星际磁场不同方向时太阳风动压在日地连线上与磁压和热压的转化关系,详细研究了太阳风参数和日下点磁层顶张角对太阳风压力系数的影响,得到以下相关结论:(1) 在北向行星际磁场较大(Bz≥5 nT)时,磁层顶外侧磁压占主导,南向行星际磁场时磁层顶外侧热压占主导;(2) 太阳风压力系数随着行星际磁场的增大而增大,随着行星际磁场时钟角的增大而减小;并且在行星际磁场大小和其他太阳风条件相同时,北向行星际磁场时的太阳风压力系数要大于南向行星际磁场时的;北向行星际磁场时,太阳风压力系数随着太阳风动压的增大而减小,南向行星际磁场时,太阳风压力系数随着太阳风动压的增大而增大;以上结论是对观测结果的扩展;(3) 最后,我们还发现太阳风压力系数随着日下点磁层顶张角的增大而增大.