日冕物质抛射在行星际空间传播演化的统计分析研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心) | 被引量 : 0次 | 上传用户:web53dns
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日冕物质抛射(CME)是近地空间环境的主要扰动源,研究CME在日球层内的远距离传播演化过程对认识行星际空间天气现象和提高空间天气预报能力具有重要的意义。本文主要结合遥感成像和多点太阳风就地观测分析多个快速CME/激波在日地空间和1个天文单位(au)以外行星际空间的运动学特征和相关的地磁效应。首先以2005年5月6日和13日爆发的两个快速CME为例,分别使用渐变圆柱壳(Graduated cylindrical shell,GCS)模型、行星际II型射电暴频率漂移、一维磁流体动力学(Magnetohydrodynamic,MHD)模型、和一维含参运动学传播模型来拟合SOHO/LASCO日冕仪成像、追踪CME/激波在1 au以内的演化、传播地球附近太阳风扰动至Ulysses卫星、和量化CME/激波在日地空间的运动学参数并验证它们在1 au以外的传播。结论如下:(1)通过分别比较这两个CME/激波在太阳附近、地球附近、和Ulysses卫星处的速度,发现它们均在到达地球之前完成主要减速,1 au之外以缓慢减速的方式继续传播;(2)由一维含参运动学模型得到的激波传播轮廓与所有数据均符合的很好,除了略低于Ulysses卫星观测到行星际日冕物质抛射(ICME)时的位置;模型给出的激波减速距离约为0.52 au(仅5月13日CME),进一步验证了CME的主要减速过程发生在日地空间范围内;(3)这两个CME的爆发时间相差约为一周,但它们源区位置比较接近并且在Ulysses卫星处有两个ICME被观测到,说明它们有可能在行星际空间中发生相互作用;(4)当它们分别到达地球时,激波/ICME鞘层区域内的南向磁场分量引起了强烈的地磁暴,说明了鞘层区域对地磁暴产生的关键作用。其次集中分析在第23太阳活动周爆发的7个快速CME的运动学特征。作者分别使用GCS模型、行星际II型射电暴漂移、和一维MHD模型获得每个CME在太阳附近、日地空间、和1 au以外行星际空间的CME/激波传播参数;使用一维不含参解析模型量化每个CME在1 au之内的运动学参数,并将得到的传播轮廓延伸至Ulysses卫星,验证该模型是否符合激波在地球之外的传播。主要结果如下:(1)每个事件的主要减速过程在1 au之内完成,随后激波缓慢减速至Ulysses卫星;(2)每个事件的传播轮廓均符合由GCS模型和行星际II型射电暴频率漂移得到的CME/激波在太阳附近和日地空间的传播距离,并且大致符合一维MHD模型输出结果和Ulysses卫星的就地观测,验证了解析模型的实用性;所有事件的减速距离均在0.6 au之内,充分说明了CME/激波的主要减速过程发生在日地空间范围内;(3)所有事件的运动学参数相关关系表明,初速度越快的CME倾向于在短时间内完成迅速减速过程;(4)部分事件伴随有地磁暴的产生,主要是由激波鞘层区域的南向磁场分量引起的;特别是当CME驱动的激波传播到其前面的ICME内部时,激波会压缩ICME中预先存在南向磁场分量,从而触发更为剧烈复杂的地磁暴。本文的创新点与特色是:(1)基于日冕仪成像、行星际II型射电暴、和多点就地太阳风观测,并结合渐变圆柱壳模型、一维MHD模型、和一维运动学传播模型,实现了对CME/激波从太阳到行星际空间的连续追踪,对认识CME行星际传播演化过程具有重要的科学意义;(2)分析了多个快速CME在日地空间和1 au以外行星际空间的远距离传播与演化,确认了快速CME的迅速减速过程发生在其到达地球之前,之后以缓慢减速的方式向外传播,对进一步认识空间天气效应具有尤为重要的意义;(3)从统计角度揭示了一种趋势,即在1 au之内初速度值越大的CME,相应的减速率值也就越大,而减速所需要的时间也就越短,有助于提高空间天气预报能力和加强对太阳风暴的理解。
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