太阳风暴“实力派”

上期我们认识了太阳“武器库”中的耀斑、日冕物质抛射、高能带电粒子流、冕洞高速太阳风等“武器”,这期我们再来好好领教一番太阳的“招数”吧!发现即命中的“闪光弹”作为太阳技能中攻击速度最快的,耀斑让地球相当“头痛”。它从爆发开始到“命中”地球仅需8分20秒,没有给人类留一丝反应的机会。

基于范艾伦卫星观测下太阳风动压对嘶声波分布的影响

哨声波作为常见的等离子体波动,对于磁层内能量电子的加速和损失起着重要作用.已有统计研究表明,地磁活动对哨声波的分布具有显著影响,但是关于太阳风活动对其的影响多以事件报道为主.本文使用范艾伦卫星5年的数据进行统计,在排除亚暴注入的影响之后,对等离子体层内嘶声在不同太阳风动压下的分布进行研究.结果表明随着太阳风动压的增强,30~200 Hz和200~500 Hz的嘶声振幅出现了减弱,与太阳风动压的变化呈负相关.与频率较低的嘶声相反,500~1000 Hz以及1000~2500 Hz的嘶声振幅与太阳风动压的变化则是呈现正相关的趋势.此外,嘶声在磁纬上的分布没有明显的峰值,这表明观测到的嘶声大部分都不是本地激发的.而不同频段的嘶声对于太阳风动压的不同响应则可能是由于源区在太阳风动压增强时受到不同程度的影响所导致的.研究嘶声对于太阳风变化的响应情况,对于理解嘶声的起源与演化具有重要作用.

2024年5月8日至16日太阳风暴对电离层影响及效应分析

太阳风暴会造成地球电离层剧烈扰动,影响导航定位性能.本文针对2024-05-08—16太阳风暴期间发生的电离层扰动事件,分析了东、西半球不同纬度台站的电离层总电子含量(total electron content,TEC)、电离层TEC变化率、电离层F_(2)层临界频率、卫星导航单点定位误差等.分析认为:电离层向日面会对X射线耀斑发生响应,但是扰动主要来源是太阳风南向磁场能量注入引起的地磁暴;太阳风暴期间电离层顶部和底部的响应并不是同步的;卫星导航单点定位误差在太阳风暴期间会有明显增大,尤其在垂直方向会增大至±10 m,且在电离层暴恢复相期间会持续存在,并随电离层状态趋于平静呈逐渐减弱趋势.

近日太阳风中磁场回弯结构的MHD模拟

帕克太阳探针(Parker Solar Probe,PSP)在太阳附近发现大量磁力线回弯结构,通常还伴随有太阳风速度增加.这些磁力线回弯的产生机制到目前为止有多种解释,其中有代表性的一种是由慢太阳风中的喷流引起的.我们首先对PSP的就地观测数据进行了统计分析并给出了发生率和空间尺度随径向距离的演化情况,然后使用简化的1.5维磁流体动力学(magnetohydrodynamics,MHD)模型对喷流在太阳风中的演化进行了模拟,其中太阳风被简化为位于黄道面的球对称流.模拟结果表明喷流的确可以导致太阳附近磁力线发生偏转,验证了喷流可以对磁场方向改变有贡献的图景.不过喷流形成的原因还需要进一步研究.

中国科学院国家空间科学中心揭示太阳风与月面相互作用能量特征

月球是无大气天体代表。月球表面没有浓密大气和全球性磁场保护。来自周围空间的各种辐射粒子可以直接与月表相互作用,并引起月壤物理和化学属性改变,即太空风化效应。在月球绕地球公转过程中,约有3/4时间在太阳风中,因此太阳风是月球主要的空间粒子源。在太阳风与月壤相互作用过程中,约有0.1%~1%的太阳风质子直接以质子形式被散射,10%~20%的太阳风质子在与月壤相互作用的过程中捕获一个电子以能量中性原子(Energetic NeutralAtom,ENA)的形式被散射,其余大部分太阳风质子会植入到月壤风化层中。这些植入粒子一方面会产生OH/H_(2)O、纳米铁等,是月表风化和水的主要来源之一;另一方面会将月面的固体成分溅射出来,且溅射出的原子被认为是月球气体外逸层的主要来源之一。因此,研究太阳风-月面相互作用过程,可以帮助科学家剖析月面太空风化、月球水和气体的产生和迁移,为探讨月表物质、太阳风和地球风的演化历史提供线索,并为研究空间等离子体与其他无大气天体(如水星、小行星、木星冰卫星)的相互作用提供重要参考。

嫦娥一号卫星太阳风离子探测器离子流量反演太阳风参数与初步结果分析

嫦娥一号卫星（Chang’E．1）上搭载的两台太阳风离子探测器（SWID—A／B）是国际上首次在200km极月轨道观测等离子体环境的探测仪器．SWID—A／B的科学目标是探测月球附近等离子体与月球的相互作用，获得月球附近的太阳风速度、密度和温度．太阳风离子探测器的观测数据是各能量成分离子流量的直接反映，包含了太阳风离子的速度、密度和温度信息．本文设计了一种利用离子流量数据反演太阳风速度、密度和温度的算法，并通过模拟太阳风离子注入探测器的过程，验证了算法的可行性．对月球附近太阳风离子基本特征的分析研究表明，在太阳活动低年，空间环境扰动水平相对较低时，行星际太阳风运动到月球附近后依然保持着相同的变化趋势；太阳风离子的速度和密度与在上游行星际空间时相近；太阳风离子的温度则比在上游行星际空间时高103K．

一个基于观测的太阳风背景模型

建立由太阳光球磁场和日冕偏振亮度等观测约束的单流体太阳风模型,包括日冕和太阳风的等离子体密度、速度和磁场,温度还有待于以后处理．这里采用高山观测台(HAO)MKIII的日冕偏振亮度(pB)在 1．36 R_s上的观测概图,根据Guhathakurta在1996年发展的日冕电子密度反演模型确定日冕的电子密度分布．同时采用Wilcox太阳观测台(WSO)的光球磁场视向分量的观测概图作为底部边界,根据Zhao等在1994年发展的水平电流一电流片(HCCS)模型得到全球磁场． Phillips在1995年及McComas在2003 年分别用Ulysses第一次和第二次跨极飞行的观测发现,归一化到1 AU的太阳风动量流密度除了在10°- 30°的纬度范围内略低以外几乎不变．根据这一结论,结合已经得到的密度数据,就可以得到日冕和太阳风的速度．将上面的模型应用于1918卡林顿自转周稳态太阳风的研究,结果与太阳活动极小期的观测基本相符, 但是与观测相比较低速高密度区偏大,因此密度模型还有待改进．

探索太阳风的奇妙旅程

安静的秋夜,天天和爸爸坐在小院子里观星。天天指着天空中的一颗亮星问道:“爸爸,为什么有些星星会眼?”爸爸微笑着说:“天天,其实星星眼不仅跟地球大气层在不断运动相关,还和太阳风有很大关系。”天天问:“太阳风就是太阳上刮的风吗?”爸爸解释道:“不是呀,太阳风是从太阳上喷射出来的带电粒子流。这些粒子包括电子、质子和一些离子。太阳风以非常高的速度离开太阳,穿越整个太阳系,也会对地球产生影响。还有一种奇妙的现象——行星际闪烁(Interplanetary scintillation,IPS)。”

图解太阳风暴

2024年5月11日前后,许多位于北半球中纬度地区的人们都看到了罕见的极光。极光的产生与太阳风有关,然而绝大部分时期只有在南北极及其附近地区才有可能看到极光。当中纬度地区都可以看到极光的时候,就意味着太阳出现了剧烈的爆发活动,这种爆发活动会对近地空间造成扰动,俗称太阳风暴。

挑战太阳风暴的羊驼

开学一个星期了,柠柠的思绪还沉浸在假期中,早上赖床,上课走神。小新看在眼里,急在心里,决定和她好好聊聊:“柠柠,我们现在的身份是学生,不能光想着玩,要好好学习哦。”柠柠叹了一口气,幻想着:“好想变成一只动物啊,这样就不用学习了。”

高速太阳风中质子的随机湍动加热

在高速太阳风中，Ａｌｆｖｅｎ波在传播过程中其能量可能转移给快磁声波，当磁场强度和Ａｌｆｖｅｎ波速度趋于零时，快磁声波将转变为离子声波．当离子声波的相速度略大于质子的热速度时，离子声波的湍动能量将被质子大量地吸收，通过对质子的随机湍动加热，而导致高速太阳风中质子的平均温度高于电子的平均温度．

高速太阳风中的α粒子流

利用等离子体湍动理论，研究a粒子在高速太阳风中，被阿尔文波湍动随机加速的机制．定量地解释了α粒子的速度大于质子的速度，a粒子的温度高于质子的温度的原因．

第23太阳活动周期太阳风参数及地磁指数的统计分析

日冕物质抛射(Coronal Mass Ejection,简称CME)和共转相互作用区(Corotating Interaction Region,简称CIR)是造成日地空间行星际扰动和地磁扰动的两个主要原因,提供了地球磁暴的主要驱动力,进而显著影响地球空间环境.为深入研究太阳风活动及受其主导影响的地磁活动的时间分布特征,本文对大量太阳风参数及地磁活动指数的数据进行了详细分析.首先,采用由NASA OMNIWeb提供的太阳风参数及地磁活动指数的公开数据,通过自主编写matlab程序对第23太阳活动周期(1996-01-01—2008-12-31)的数据包括行星际磁场Bz分量、太阳风速度、太阳风质子密度、太阳风动压等重要太阳风参数及Dst指数、AE指数、Kp指数等主要的地磁指数进行统计分析,建立了包括269个CME事件和456个CIR事件列表的数据库.采用事例分析法和时间序列叠加法分别对两类太阳活动的四个重要太阳风参数(IMF Bz、太阳风速度、太阳风质子密度、太阳风动压)和三个主要地磁指数(Dst、AE、Kp)进行统计分析,并研究了其统计特征.其次,根据Dst指数最小值确定了第23太阳活动周期内的355个孤立地磁暴事件,并以Dst指数最小值为标准将这些磁暴进一步分类为145个弱磁暴、123个中等磁暴、70个强磁暴、12个剧烈磁暴和5个巨大磁暴.最后,采用时间序列叠加法对不同强度磁暴的太阳风参数和地磁指数进行统计分析.统计分析表明,对于CME事件,Nsw/Pdyn(Nsw表示太阳风质子密度,Pdyn表示太阳风动压)线性拟合斜率一般为正;对于CIR事件,Nsw/Pdyn线性拟合斜率一般为负,这可作为辨别CME和CIR事件的一种有效方法.从平均意义上讲,相较于CIR事件,CME事件有更大的南向IMF Bz分量、太阳风动压Pdyn、AE指数、Kp指数以及更小的Dstmin.一般情况下,CME事件有更大的可能性驱动极强地磁暴.总体而言,对于不同强度的地磁暴,Dst指数的变化呈现出一定的相似性,但随着地磁暴强度的增强,Dst指数衰减的速度变快.CME和CIR事件以及其各自驱动的地磁暴事件有着很多不同,因此,需要将CME事件驱动的磁暴及CIR事件驱动的磁暴分开研究.建立CME、CIR事件及地磁暴的数据库以及获取的统计分析结果,将为深入研究地球磁层等离子体片、辐射带及环电流对太阳活动的响应特征提供有利的帮助.

太阳风在地球激波前兆区减速的统计研究

本文首次利用完全相同两颗卫星(CLUSTER C1和C3)的数据对地球激波前兆区太阳风的减速和偏转特性进行了统计研究.结果表明,在激波前兆坐标系中,太阳风减小的速度随观测点到激波的距离D_(BS)增大而减小,随行星际磁场与激波法向夹角θ_(BN)增大也减小,在ULF波动区深度D_(WS)小于6R_e(R_e为地球半径)的范围内最为显著;伴随着太阳风减速的另外一个现象——太阳风的偏转,也存在相似的规律.其最大减速和最大偏转角度分别为10 km/s和3°.太阳风减速和偏转,以及随之变化的太阳风动压,可能会引起地球磁层顶位置和形状发生改变,同时也为激波前兆区弥散(diffuse)离子的起源及加热提供了一种可能的机制.

2003年10月底太阳风暴期间中山站电离层吸收效应的观测与分析

本文介绍了成像式宇宙噪声接收机技术和数据分析方法,通过对南极中山站成像式宇宙噪声接收机在2003年10月底太阳风暴期间的观测数据进行分析,得到了相应的极区电离层的吸收效应,它们主要是强度为2. 7dB的宇宙噪声突然吸收和强度高达31dB持续4d的极盖吸收。

无振荡、无自由参数格式在三维太阳风流动数值模拟中的应用

从快速、有效地进行空间天气数值预报的需要出发，针对1998年5月份行星际太阳风暴事件，采用全三维流体力学（HD）模型进行数值试验，考察了无振荡、无自由参数（NND）格式在三维太阳风流动数值模拟中的应用。计算中内边界的密度分布由观测K日冕数据来确定，由此得到的源表面密度分布具有和源表面电流片相似的结构数值试验表明：虽然该格式不需要加入人工粘性，但是具有很好的计算稳定性，在扰动计算时激波间断耗散小，在三维任何方向上间断所占的网格数比较少，没有数值色散现象．

五矩二流太阳风等离子体特性的数值研究

本文数值求解了各向同性二流太阳风的五矩方程组,得出了1 R_s—2AU区域内太阳风密度、速度、电子和质子温度、它们的热流通量密度q以及非麦克斯韦分布尾部粒子过剩量ξ随日心距离的变化关系.文中比较了二流太阳风五矩模型、四矩模型(ξ=0)和低阶矩模型(不包括q和ξ二个矩方程)的等离子体特性,着重讨论了量ξ对质子温度及其热流通量的影响.结果表明,包括言的五矩方程可改善T_e/T_p和q_e/q_p的计算值与观测值的符合程度.

太阳风暴对电网干扰的日面参数与条件

由太阳磁场变化引起的太阳风暴对电网的影响是物理过程与模式极其复杂的电磁兼容问题。根据日冕物质抛射(CME)是驱动非重现性地磁暴和电网地磁感应电流(GIC)的太阳事件主因这一事实,提出研究电网GIC大小与CME的哪些参数关系密切,具备哪些条件的CME对GIC的贡献大,以便为预测对电网的影响提供依据。利用23太阳周广东岭澳核电站几次磁暴的GIC监测数据,以及太阳日球天文台/大视角分光日冕仪(SOHO/LASCO)的CME观测资料,研究了电网GIC大小与CME角宽度、初始速度、日面位置、加速度参数的关系,以及突发很大GIC的CME太阳源条件与原因。结果表明,电网GIC事件及大小与CME日面参数密切相关,但并不是单个参数能独立驱动的,CME的初始速度是对地CME能引起较大电网GIC的关键参数。

地球磁场对太阳风的加卸载响应与华北地震

本文将磁暴过程作为地球磁场对太阳风的加卸载响应，计算分析了中国华北地区３０个地磁台站１９９５－０１—１９９６０３垂直分量Ｚ的暴时场Ｄ８ｔ（Ｚ）加卸载响应比值ｆＤ（Ｚ）的变化，发现ｆＤ（Ｚ）的高值异常与其周围１５０ｋｍ范围内发生的ＭＬ＝５．４，５．６和６．６级的３个中强地震对应较好．同时还发现冀中南及冀鲁豫交界地区ｆＤ（Ｚ）的高值异常与１９９６０８的罕见大暴雨、洪涝灾害有关，并进行了初步定性讨论．

天气尺度到气候尺度太阳风变速对中高纬大气环流的影响

通过对冬季太阳风短时(天气尺度)降速与北大西洋涛动和北极涛动等北半球中高纬度环流指数的时序重叠分析,结合对1963年以来48个冬季太阳风平均速度与北极涛动等指数的相关分析发现,从短时太阳风降速到向亚极光带沉降的辐射带高能电子通量显著下降,北极涛动也有迅速的响应,这预示着从太阳风到大气环流存在天气尺度的短时关系链,在这一时间尺度现有理论中仅有"空间粒子-大气电-云微物理"联系机制能较好地解释;太阳风速度与北极涛动的正相关信号在气候尺度上也有显著体现,太阳风可能通过高能电子沉降与北半球冬季中高纬度环流相联系,这表明太阳风通过大气电-云微物理过程驱动的过程是太阳活动影响气候变化的不可忽视的途径;开展太阳风起源、空间环境与大气(环流、电场)和地磁系统的联合观测及数值模拟是揭示日地天气与气候联系的重要研究内容之一.