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[博士论文] 迟雨田
空间物理 中国科学技术大学 2018(学位年度)
摘要:行星际日冕物质抛射(ICME)和流相互作用区(SIR)是行星际空间中的两种大尺度结构,是影响地球空间天气最重要的源头之一,有着许多不同于一般太阳风的特殊性质。因此分析ICME和SIR的局地特征和其地磁效应对于理解空间天气现象和空间天气预报具有重要的意义。本文利用WIND卫星和ACE卫星的局地观测数据和ICME、SIR的局地判定条件,建立了长时间的ICME、SIR列表。利用近20年的ICME、SIR局地列表,对ICME和SIR的局地特征和地磁效应进行了综合的分析。
  根据WIND卫星和ACE卫星的局地数据和ICME的局地判定条件,我们建立了1995-2015年长时间的ICME列表。研究区间包含完整的第23太阳活动周和第24太阳活动周的上升期。根据ICME列表,我们发现每年观测到ICME的数目与太阳黑子数呈正相关关系。根据ICME的磁场结构,我们将ICME分为具有磁云结构的磁云ICME和不具有磁云结构的非磁云ICME。通过对每年观测到的磁云ICME的数目进行统计,我们发现每年观测到的磁云ICME数目与太阳黑子数之间没有明显的相关性。但是通过分析每年观测到的磁云ICME占当年观测到的ICME数目的比例,我们可以发现在太阳活动高年,磁云ICME的比例比较低,而在太阳活动低年,磁云ICME的比例较高。这可能是由于在太阳活动高年,每天爆发的CME数目较多。CME从日面传播到地球附近时,更容易与行星际空间中的CME或其他行星际结构发生相互作用,从而导致局地观测到的ICME的磁场结构发生了变化。除此之外,我们对ICME内平均磁场和等离子体参数进行分析。我们发现每年ICME内部的磁场和等离子体参数也与太阳活动强度具有很好的相关性。在太阳高年,ICME具有更强的磁场和更快的传播速度。同时我们对比了磁云ICME和非磁云ICME的参数特征,我们发现磁云ICME相较于非磁云ICME具有更强的磁场强度。当ICME的传播速度相较于背景太阳风大于当地的快磁声波数时,在ICME的前部就可能会形成激波。利用WIND卫星的局地数据,我们发现近一半ICME事件在其前部引起了激波。对引起激波的ICME事件进行统计分析时,我们发现每年观测到的引起激波的ICME数目和引起激波的ICME数目占ICME总数的比例都与太阳黑子数呈正相关。这说明在太阳活动高年,ICME更容易引起激波。通过对引起和没有引起激波的ICME局地参数进行对比,我们发现引起激波的ICME具有更强的磁场和更快的速度。激波与ICME本体之间的区域又被称为鞘区。通过对比ICME本体及其鞘区的磁场和等离子体参数,我们从统计的角度证实了ICME本体的磁场和等离子体参数值都要略低于ICME鞘区。
  ICME是引起地磁暴,特别是强地磁暴的最重要的行星际源。根据ICME列表和Dst指数,我们仔细分析了1995-2014年的ICME的地磁效应。由于ICME在行星际传播过程中,可能与CME或其他行星际结构发生相互作用,在局地形成复杂结构,共同引起地磁暴。因此,在研究ICME的地磁效应时,我们将ICME分为三类,分别为1)独立ICME(Isolated ICME,简称I-ICME),其所对应的CME在行星际传播过程中,没有与其他CME及其相关结构发生相互作用。2)相互作用的ICME(multiple ICMEs,简称M-ICMEs),在局地观测到两个ICME事件,第一个ICME事件的结束时间与第二个ICME事件的开始时间的间隔小于6个小时,我们就认为这两个ICME事件为一组M-ICMEs。3)激波ICME相互作用事件(Shock-ICMEs,简称S-ICMEs),在局地观测到两个ICME事件,后一个ICME所引起的激波进入的前一个ICME事件的内部,我们就将这两个ICME事件称为一组S-ICMEs事件。其中M-ICMEs和S-ICMEs为复杂结构,内部可能包含两个及以上的ICME事件,因此我们用‘ICME组’来表示这三类不同的ICME事件。在1996-2014年间共有436个ICME事件,363组。其中I-ICME303组,M-ICMEs22组,S-ICMEs38组。通过对不同组的ICME的地磁效应进行分析,我们发现大约有58%组ICME事件可以引起地磁暴(Dstmin≤-30nT)。同时我们调查了1996-2014年所有的强地磁暴事件的行星际源,发现87%的强地磁暴都是由ICME所引起的。根据ICME列表,我们发现每年观测到的ICME组的数目,引起地磁暴的ICME组数目都与太阳黑子数有着良好的相关性。对比第23个太阳活动周和第24个太阳活动周ICME的数目和地磁效应,我们发现第24个太阳活动周的ICME的数目要少于第23个太阳活动周在同阶段观测到的ICME数目。除此之外,在第24个太阳活动周ICME组引起地磁暴的数目和比例都要明显小于其在第23个太阳活动周。通过分析ICME的参数和Dstmin的相关性,我们发现ICME的平均磁场,磁场南向分量,太阳风速度,晨昏向电场强度与Dstmin有很好的相关性。通过分析I-ICME,M-ICMEs,S-ICMEs的地磁效应,我们发现S-ICMEs相较于其他两组ICME更容易引起强地磁暴。根据S-ICMEs中引起地磁暴主相的区域不同,我们将S-ICMEs分为4类。引起地磁暴主相的区域分别为:1)激波压缩前一个ICME的磁场区域,2)两个ICME之间的相互作用区,3)前一个ICME未被压缩的区域,4)后一个ICME。通过讨论这4类S-ICMEs的地磁效应,我们发现由激波压缩前一个ICME的南向磁场所引起的地磁暴更容易为强地磁暴。
  根据SIR的局地判定条件,我们将Jian,et al.(2010)的1995-2009的SIR列表扩展到2016年。1995-2016年,我们共识别了866个SIR事件。根据SIR列表,我们讨论了SIR的地磁效应。我们发现52%的SIR可以引起地磁暴,但只有3%(26)的SIR可以引起强地磁暴。在这26个强地磁暴中,我们发现其中有10个强地磁是由SIR与ICME相互作用形成的复杂结构所引起的。这种复杂结构中的ICME是镶嵌在SIR内部,位于快慢太阳风中间,受到后面快速太阳风的挤压。从统计上看SIR-ICME相互作用结构具有更强的地磁效应,其引起地磁暴的比例要远远大于单独的SIR或MCME引起地磁暴的比例。SIR-ICME引起地磁暴比例与S-ICMEs基本持平,但是对于引起强地磁暴的比例,SIR-ICME还是远小于S-ICMEs。除此之外,我们还对SIR地磁效应的周期性变化进行了讨论,发现在秋分日和春分日附近,SIR更容易引起地磁暴。
  ICME是引起地磁暴,特别是强地磁暴的主要行星际源。强地磁暴对人类的生存环境以及卫星所在的空间环境造成严重的影响。因此对ICME的预报就显得极其重要。朝向地球的CME通常在地球附近的日冕仪(SOHO/LASCO)中呈现全晕状或半晕状。但是依然有很多局地观测到的ICME事件在SOHO/LASCO日冕仪中找不到对应的CME。2011年5月28日ICME事件在SOHO/LASCO日冕仪中就找不到对应的晕状CME,但是在STEREO卫星的日冕仪中找到了两个可能与之相关的的朝向地球的CME。通过对2011年5月28日ICME事件的分析,我们认为两个原因导致SOHO/LASCO日冕仪中找不到对应的CME。1)由于投影效应和挡板效应,沿日地连线传播且尺度较小的CME在地球附近的日冕仪中的投影区域大部分在日冕仪的挡板之后。2)由于汤姆森散射效应,朝向地球的CME的亮度相对于边缘的CME的亮度较暗,而日冕仪的探测范围有限导致亮度较弱的CME不能够被观测到。
摘要:本文主要利用WIND卫星1996-2013(包含完整的第23个太阳周和第24太阳周上升期)的局地磁场和等离子体数据,对期间ICME进行判定,并对近地太阳风中的ICME的出现率、参数的分布特别是ICME的地磁效应进行了统计研究。在此期间共判定ICME444个,其中45.5%的ICME前面有激波。将得到的列表与Ian Richardson and Hilary Cane (1996-2013) wind卫星ICME列表以及Lan Jian(1995-2009) ACE卫星的ICME列表进行了对比。
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