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日冕物质抛射及其空间天气效应研究

申成龙  
【摘要】: 日冕物质抛射(CME)是太阳大气中的一种的剧烈爆发现象,它是非重现性地磁暴和渐进型太阳高能粒子事件的主要日面驱动源。研究CME及其相关的空间天气效应对加深理解日地空间天气现象和准确预报空间天气事件具有重要的意义。本文主要以分析观测资料为主并结合简单的理论分析,对CME及其相关的两个主要空间天气效应:太阳高能粒子事件和地磁暴进行综合研究。 研究了1997-2002年间对地有效的正面晕状CME的源区特征,发现其源区分布在E40°到W70°的较大范围,分布呈现明显的东西不对称性,西边的事件远多于东边的事件。这种源区分布的不对称性与CME的速度相关,速度越快的CME其源区越偏向西边。结合观测分析的结果和简单的运动学模型,我们认为这种不对称性与CME在行星际的偏转有关。在背景螺旋磁力线影响下,速度快于背景太阳风的CME被太阳风阻碍而发生向东的偏转,而速度慢于背景太阳风的CME受太阳风的推动而偏向西边。根据运动学模型,CME在行星际中偏转的角度与CME的速度有关。继而,结合运动学模型和CME冰淇凌锥模型,讨论了影响2005年9月爆发于同一活动区的几次大CME的对地有效性的主要因素。发现由于CME角宽度大,发生在日面边缘(E67°和E47°)的CME到达了地球。而由于大的偏转角,爆发于日面中心的CME只是边缘部扫过了地球。结果表明源区位置、在行星际中的偏转、角宽度都是影响CME能否到达地球的重要因素。 统计分析了23周太阳低年(1997-1998年)CME在日面附近的子午面内的偏转效应,发现82%(132/161)的CME均发生了明显的向赤道方向的偏转,其平均偏转角度为16°,在10°到15°范围中出现的概率最大。几乎所有的爆发于高纬区域(源区位置角与赤道夹角>40°)的CME均发生了向赤道的偏转。进一步通过STEREO/SECCHICOR1-B观测资料分析了2007年10月8日直接观测到的CME在日面附近的偏转,结合外推磁场,发现这种向赤道方向的偏转可能是由背景磁场作用引起的。 根据STEREO观测资料,分析研究了2007年10月8日爆发于日面西边缘的一次慢速CME在行星际中的传播过程。研究了该CME在传输过程中的速度、加速度、角宽度、膨胀速度、中心速度等的演化,并分析了其伴随日珥的传播过程。 太阳高能粒子事件是与CME相关的重要的空间天气现象,激波强度和激波处的磁场结构是影响太阳高能粒子事件的主要因素。为了研究激波强度对太阳高能粒子事件的影响,我们发展了一种基于观测资料计算日面附近CME驱动激波强度的方法。在我们的方法中,使用二型射电爆资料获得背景等离子密度、使用SOHQ观测得到激波高度和速度、以WSO观测的卡林顿周磁场综合图作为底边界使用电流片源表面(CSSS)模型外推计算磁场强度,进而获得表征激波强度的快磁声波马赫数。以2001年9月15日和2000年6月15日两次事件为例详细说明了计算激波强度的方法。计算结果表明2001年9月15日事件中的CME驱动了一个快磁声波马赫数为3.43-4.18的强激波,而2000年6月15日事件中的CME驱动了一个马赫数仅为1.90-3.21的弱激波。计算结果与太阳高能粒子事件和射电爆的观测结果一致:一个相对较慢的CME驱动了一个强激波,产生了长且强的二型射电爆和大太阳高能粒子事件;而一个快的CME驱动了一个弱激波,仅产生了一个弱而短的二型射电爆且没有产生大的太阳高能粒子事件。结果表明,CME的速度并不真实反映激波的强度,要准确预报太阳高能粒子事件,需要准确地计算激波强度。 理论分析表明,冕洞高速流中很难形成强度大的激波,且冕洞开放场结构使得粒子容易逃逸而很难形成大的太阳高能粒子事件。为了研究冕洞对CME形成太阳高能粒子事件的影响,发展了一种基于亮度梯度而自动确定SOHO/EIT 284A观测到的冕洞的方法,该方法避免了冕洞确定过程中的人为因素。基于该方法,统计分析了1997-2003年间冕洞对爆发于日面西边的快速CME产生太阳高能粒子事件的可能影响。统计分析表明无论冕洞离CME源区的距离,还是冕洞与CME的相对位置,对CME产生太阳高能粒子事件均没有明显的影响,其统计上的差别均在1σ的误差范围以内。结果表明冕洞对CME形成太阳高能粒子事件没有明显的影响,这与Kahler[2004]的结果一致。 研究了2001年11月5日ACE卫星观测到一次激波进入磁云复杂结构对太阳高能粒子事件的影响,这次太阳高能粒子事件是23太阳周最大的一次太阳高能粒子事件。发现在激波磁云结构中高能粒子通量明显增加,这与以前观测到的在黄道面中传播的磁云中能量粒子减小明显不同。这可能是由于激波进入磁云后加速磁云内的粒子,而这些被加速的粒子被束缚在磁云内所致。进一步,通过比较这次事件和23太阳周另外两次大的事件(2000年Bastille事件和2003年Halloween事件),发现在激波磁云复杂结构中的太阳高能粒子事件强度增强,是导致这次事件成为23太阳周最大的太阳高能粒子事件的主要原因,这说明行星际复杂结构对太阳高能粒子事件有显著的影响,特别是大的太阳高能粒子事件。 为了研究Dst_(min)≤-50nT的中等以上地磁暴的强度与行星际参数及其持续时间的关系,分析了1998-2001年ACE和WIND卫星的行星际磁场和太阳风等离子体观测资料,得到了产生中等以上地磁暴的阈值条件:对于Dst_(min)≤-50nT的中等地磁暴,其产生的行星际阈值为(?)≥3nT、—(?)≥1 mV/m和△t≥1h;对于Dst_(min)≤-100 nT的强磁暴,其阈值为(?)≥6 nT、—(?)≥3 mV/m和△t≥2 h。并得到了地磁暴峰值Dst_(min)与行星际参数—(?)及其持续时间△t的经验公式Dst_(min)=-19.01—8.43(-(?))~(1.09)(△t)~(0.30)nT,其相关性达到0.95。从该经验公式和观测分析发现,在引起磁暴过程中—(?)的重要性远大于其持续时间△t,这表明压缩后的南向行星际磁场具有更强的地磁效应。同时,研究了该时间段中33个大的—(?)区间(—(?)>5mV/m且△t>3h),发现它们均引起了Dst_(min)≤-100nT的大地磁暴,且8/9的Dst_(min)≤-200nT的特大地磁暴有行星际压缩结构引起。通过分析2003年10月和11月观测到的两次日面观测相似的大CME事件的空间天气效应,发现磁云引起地磁暴的效应与磁云携带的南向磁场以及轴向相关,影响太阳高能粒子事件的CME爆发时能量释放速度以及在日面附近驱动的激波强度对地磁暴强度的影响较弱。


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