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行星际日冕物质抛射在行星际空间的传播和演化规律

杜丹  
【摘要】: 日冕物质抛射事件(CME)是引起地球空间暴的主要因素,研究其在行星际空间的传播和演变有助于了解行星际空间天气过程,建立和检验太阳风模型以及为空间天气物理预报模式提供科学基础。本文主要以分析多点飞船的观测数据为主,结合数值模拟对日冕物质抛射事件通过行星际空间传播、膨胀和演变的过程进行研究。 根据异常低的质子温度为判据,从分布在不同日心距离的多个飞船(Helios1和2, PVO, ACE以及Ulysses)的等离子体和磁场观测数据中识别了596个0.3~5.4 AU之间的行星际日冕物质抛射(ICME)可能事件。其中通过分析Helios从1974年到1980年(0.3~1 AU)的观测数据,得到了162个ICME可能事件;在0.72 AU处,根据PVO从1979年到1988年的观测数据,得到了114个ICME可能事件;在地球附近(1 AU),主要采用ACE从1997年到2003年的观测数据,得到了184个ICME可能事件;根据Ulysses从1990年到2003年(1~5.4 AU)的观测数据,得到了136个ICME可能事件,其中发生在中高纬度区域( ? 20? or 20?)的ICME事件共有76个。 通过跟踪单个ICME典型事件来研究其在行星际空间的传播和演化规律是非常有价值的,然而由于沿ICME传播方向上分布的飞船比较少,能先后被分布在不同日心距离处的飞船都探测到的ICME典型事件更是非常稀少。通过对Helios 1和IMP 8分别探测到的ICME进行分析,发现1975年3月13日Helios1在0.3 AU处观测到的ICME和1975年3月11日IMP 8在地球附近观测到的ICME具有相似的太阳风结构。利用1-D MHD模型跟踪此次ICME事件从0.3AU到地球的传播过程,模拟得到的ICME到达地球的时间以及等离子体结构都与观测结果接近,因而我们认为分别由Helios 1和IMP 8探测到的ICME事件可能是源于同一太阳活动区的ICME典型事件。 通过对1998~2005年间ACE和Ulysses观测到的ICME进行分析,并利用1-D MHD数值模拟在低纬度区识别了同时被ACE和Ulysses都观测到的ICME对应事件。并利用Grad-Shafranov (GS)重构技术反演了1998年3月4日和3月24日被ACE(1 AU)和Ulysses飞船(5.4 AU)都观测到的磁云结构。发现它们具有相同的手征性和基本一致的轴方向,并且它们所包含的磁通量近似同阶。另外,磁云在向外传播的过程中沿径向( x|^方向)有拉伸的趋势,而在y?方向上变化不大。 我们还在统计意义上研究了ICME在内日球空间的演化性质,并结合Voyager 2在外日球空间(1~30 AU)探测到的ICME ,分析了ICME在行星际空间的传播和演化性质:ICME的发生频率大致与太阳活动周正相关;ICME在~15 AU以内的行星际空间传播时,以与Alfv′en速度同阶的速度向外膨胀,当传播到~15 AU以远时,ICME的径向宽度基本保持不变;由于膨胀,ICME中的平均质子数密度、质子温度和磁场强度随日心距的增加而减少,ICME中的质子数密度、磁场强度比背景太阳风下降得快,然而ICME中的质子温度却不及背景太阳风中质子温度下降得快。为进一步检验观测结果,运用1-D MHD数值模型来模拟ICME在行星际空间的传播。数值模拟的结果与实际的观测结果基本一致。


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