行星际日冕物质抛射引起福布斯下降的一维随机微分模拟

福布斯下降(Forbush decrease,FD)是银河宇宙线(galactic cosmic rays,GCRs)受短期剧烈太阳活动调制的重要现象之一.本文设GCRs进入由行星际日冕物质抛射(interplanetary coronal mass ejection,ICME)及其前沿激波共同形成的扰动区时,其径向扩散系数κ_(rr)受抑制变为μ(r)·κ_(rr)(0<μ(r)1),且抑制强度与粒子位置处的太阳风等离子体速度正相关.对任意时刻的扰动区,抑制系数μ(r)在激波处最小为μ(r_(sh)),并按指数规律增大,在ICME尾部归一.CME爆发时,μ(r_(sh))取全局最小值μm.在扰动区向日球层外传播的过程中,μ(r_(sh))逐步恢复为1.在此基础上,根据GOES和ACE卫星观测确定模型参数,用一维随机微分方程描述GCRs在日球层内的传播,并采用倒向随机方法模拟了一个由独立Halo ICME调制GCRs引起的2005年5月15日FD事件.计算所得地面中子通量的主相、恢复相及其在CME到达地球前的增加过程,均与Oulu中子探测器观测结果一致.

行星际日冕物质抛射地磁效应研究的支持向量机方法初步研究

行星际日冕物质抛射(Interplanetary Coronal Mass Ejection, ICME)与地球磁层相互作用并带来地磁暴等地磁扰动.从Richardson和Cane提供的近地球ICME列表中筛选出ICME事件集,基于ICME扰动期间的行星际等离子体与磁场数据提取出特征.通过计算各特征的费舍尔分值(Fisher Score),对这些特征进行选择,发现行星际磁场南北向分量持续时间小于-10nT且激波等扰动所带来的ICME扰动开始时,太阳风速度的增量等特征与ICME事件的地磁效应密切相关.这与现有的传统统计研究结果一致.以这些特征为基础,训练得到的径向基函数支持向量机能够以0.78±0.08的准确率判断ICME事件是否会产生中等及以上强度的地磁暴(Dst≤-50nT).

第23太阳活动周强磁暴行星际源的统计分析

统计了第23太阳活动周(1996-2006)发生的90次强地磁暴(Dst≤-100nT)的行星际源.在第23太阳活动周内,当行星际磁场(Interplanetary Magnetic Field,IMF)Bz分量南向翻转并持续较长时间时,通常会引起强磁暴的发生,进而引起电离层暴.文中分析了强磁暴的年分布状况以及引起强磁暴的不同行星际结构在同样活动周的分布特征,并且分析了中国地区电离层暴事件的行星际源.统计结果显示,1)行星际日冕物质抛射(Interplanetary Coronal Mass Ejection,ICME)是引起强磁暴的主要行星际源.在ICME中,相对于非磁云结构,磁云结构是引起强磁暴的主要行星际源.2)强磁暴主要在太阳活动极大年和下降年份,在太阳活动低年出现次数较少.强磁暴在太阳活动周的分布呈三峰结构,并认为可能跟1999年强磁暴发生次数异常少,使1998年凸显出来的现象有关.3)ICME引起的电离层暴事件是共轭作用区(Corotating Interaction Region,CIR)引起电离层暴的7倍多,这说明ICME也是电离层暴事件的行星际源.

2007—2012年Dst_(min)≤-50 nT的中等以上地磁暴的行星际源统计

地磁暴的行星际源研究是了解及预报地磁暴的关键因素之一.本文研究了2007—2012年间的所有Dstmin≤-50nT的中等以上地磁暴,建立了这些地磁暴及其行星际源的列表.在这6年中,共发生了51次Dstmin≤-50nT的中等以上地磁暴,其中9次为Dstmin≤-100nT的强地磁暴事件.对比上一活动周相同时间段发现,在这段太阳活动极低的时间,地磁暴的数目显著减少.对这些地磁暴行星际源的分析表明,65%的中等以上地磁暴由与日冕物质抛射相关的行星际结构引起,31%的地磁暴由共转相互作用区引起,这与以前的结果一致.特别的,在这个太阳活动极低时期内,共转相互作用区没有引起Dstmin≤-100nT的强地磁暴,同时,日冕物质抛射相关结构也没有引起Dstmin≤-200nT的超强地磁暴.以上结果表明极低太阳活动同时导致了共转相互作用区和日冕物质抛射地磁效应的减弱.进一步,分析不同太阳活动期间地磁暴的行星际源发现:在太阳活动低年(2007—2009年),共转相互作用区是引起地磁暴的主要原因;而在太阳活动上升期和高年(2010—2013年),大部分(75%,30/40)的中等以上地磁暴均由日冕物质抛射相关结构引起.

地球附近第23太阳活动周磁云和非磁云ICME的对比统计

行星际日冕物质抛射(ICME),作为影响地球空间天气的重要源头之一,根据其磁场结构特点可分为磁云(MC)和非磁云ICME两个子集.本文对第23周的磁云和非磁云ICME结构及其地磁效应进行对比统计研究.第23周ICME事件总数为317个,其中磁云占ICME比例为33.75%,非磁云ICME占66.25%.统计结果表明,非磁云ICME数与太阳黑子数呈现出非常好的正相关性,而磁云与太阳黑子数的这种相关性并不明显.相反,磁云占ICME的比率与太阳黑子数呈现出一定的反相关性.对磁云与非磁云ICME引起的地磁暴的比较研究表明:磁云及其鞘区引发的地磁暴平均水平要高于非磁云ICME及其鞘区.磁云和非磁云ICME的磁场强度、南向磁场强度和传播速度整体上都随地磁暴水平提升而增加.对磁云与非磁云ICME参数的进一步对比分析表明,磁云及其鞘区的平均磁场强度和南向磁场分量平均值都明显要比非磁云ICME的大;而二者的等离子体温度、密度和速度平均值相差并不明显.

第24太阳活动周地球附近磁云与非磁云事件的统计分析

为研究第24太阳活动周中磁云(Magnetic Clouds,MC)与非磁云(Non-Magnetic Clouds,non-MC)的等离子体性质及其对空间天气的影响,使用1 AU处的观测数据对2008—2015年168个ICME事件进行统计与分析,其中认证出磁云事件68个,占总数的40.48%.通过分析磁云与非磁云等离子体参数对空间天气环境的影响及与太阳活动的关系,整体性质的对比及在第23和24太阳活动周中性质的对比,可以发现:在第24太阳周中,磁云引起的磁暴强度普遍大于非磁云,南北向磁场分量是引起磁暴的重要参数;磁云数和太阳黑子数有很好的相关性,非磁云数与行星际日冕物质抛射总数及黑子数的相关性稍弱,磁云数在太阳周的不同阶段表现出不同的分布特性;磁云的磁场强度和南向磁场分量整体强于非磁云,两者质子温度、密度等参数差异不大.第24周磁云事件引起的地磁效应整体上弱于第23周磁云事件,这与第24周磁云事件最大南向磁场分量、传播速度以及质子温度整体小于第23周磁云事件有关.