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行星际扰动对地磁暴发展的影响研究

佟亚男  
【摘要】: 地磁暴是全球范围内的剧烈扰动,是空间天气中一种非常重要的现象,是日地能量耦合链中的重要一环。地磁扰动对天基、地基技术系统,特别是对卫星通讯、导航、电力系统、输油管道等产生严重影响。因此,地磁暴的研究不仅具有很高的学术价值,而且还有很重要的现实意义。 本文主要基于WIND和ACE卫星的行星际磁场和太阳风观测数据,以分析观测资料为主,从个例分析和统计分析角度出发,主要对第23太阳活动周不同强度、不同发展阶数地磁暴的行星际源进行了研究,为预报员预测地磁扰动的强弱及其持续时间提供更多的线索,同时为完善统计预报模式奠定基础。 本文利用数值模拟的方法,模拟研究了行星际激波与共转高速流在不同条件下的传播过程,定性分析了它们之间的相互作用对扰动到达地球时间的影响,为预测扰动到达地球时间提供参考依据。本文的主要工作概括如下: 1.中等强度地磁暴行星际源的统计研究。对第23太阳活动周发生的183次中等强度地磁暴(-100nTDst≤-50nT)的年分布状况、引起中等磁暴的行星际源、以及不同行星际结构在太阳活动周中的分布特征作了统计分析,并与强磁暴行星际源的分布状况做了对比。重点研究了共转相互作用区(CIR)与行星际日冕物质抛射(ICME)、磁云(MC)与非磁云结构ICME,以及与鞘区磁场相关的行星际结构和ICME本体单独作用在中等强度地磁暴中的相对重要性。 2.多阶强磁暴行星际起因的研究。对1998-2005年发生的42起多阶强磁暴(主相为二阶及二阶以上)进行了分析,分析结果表明:引起多阶磁暴的行星际结构是极其复杂和多样的,磁暴主相的多阶发展与间歇式的行星际磁场南向分量Bz结构密切相关,其中“鞘区与ICME共同作用”和“扰动的行星际磁场南向分量”是引起多阶磁暴最重要的原因。多阶强磁暴与一阶强磁暴的持续时间和强度的对比结果表明,磁暴主相的多阶发展对磁暴强度的增强有一定影响,但对主相持续时间的影响更显著。 3.细致分析了磁云磁场结构对磁暴主相多阶发展的影响。利用1997-2007年间Wind和ACE卫星观测到的71个由磁云引起的中强磁暴(Dst*≤-50nT),对磁暴主相的多阶发展(主相为二阶及二阶以上)与磁云磁场结构的关系进行了统计分析,找出能够引起磁暴主相多阶发展的磁云磁场结构类型,并重点研究了不同类型的磁云磁场结构在磁暴主相多阶发展中的相对重要性。统计结果表明:鞘区磁场单独作用、不同类型磁云(包括SN、S和NS型)单独作用、以及鞘区与不同类型磁云共同作用(包括Sheath+SN、Sheath+S和Sheath+NS)都可能引起磁暴主相的多阶发展;一阶磁暴主要由鞘区磁场单独作用和磁云本体单独作用引起,而在多阶磁暴中,有大约2/3为鞘区磁场与磁云本体共同作用引起,有近1/3为鞘区磁场单独作用和磁云本体单独作用引起。 4.用三维运动学模型模拟研究行星际激波与共转高速流的相互作用。利用三维运动学HAF模型,模拟了行星际激波和共转高速流(CHSS)在行星际空间的传播过程。通过模拟行星际激波与CHSS相互作用在行星际的传播过程,研究了相互作用对CHSS到达地球时间的影响,以及对行星际激波的传播和激波形态的影响。模拟结果表明: (1)行星际激波与CHSS相互作对彼此到达地球时间都有影响;(2)有激波条件下的CHSS到达地球时间更早,且CHSS到达地球时间与驱动激波的耀斑的强度以及扰动源区的位置有关,耀斑的强度越大、扰动源区与CHSS前的电流片的经度距离越近,则CHSS到达地球时间也越早;(3)激波在以CHSS为背景的太阳风中传播得更快,但激波与CHSS的相互作用对激波到达地球时间的影响远没有对CHSS到达地球时间的影响大;(4)当耀斑位于CHSS前电流片的东边时,耀斑驱动的激波与CHSS相互作用可能会使激波形态发生改变,呈双峰结构。


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