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.