日冕边界条件与太阳风共转相互作用

本文根据第二十太阳周太阳风数据的统计分析结果,用太阳风二维理想流体模型探讨近太阳区的不同边界条件太阳风与共转相互作用对1AU处太阳风各参数影响,得到共转相互作用不能引起太阳风速度和马赫数的反相扰动,推断在太阳风加速区温度扰动对太阳风的影响最大,而在太阳风传播区速度扰动对太阳风的影响最大.      

单流体二维太阳风结构的磁流体力学模拟

在添加动量项的条件下，对单流体二维磁流体力学方程组进行模拟，得到了子午面上的太阳风结构，结果表明，添加动量项的形式及其被加入的位置对远区太阳风速度和质子密度有重要的影响。本文在适当的区域加入合适的动量项得出了远区太阳风速和质子密度与Ulysses观测基本符合的结果。文中给出了较合适的动量添加区域为3.5-10Rs(Rs为太阳半径）。     

二维磁流体动力学平衡日冕(Ⅱ)

基于解析和数值相结合的方法,进一步讨论了非均匀引力场中日冕的二维磁流体动力学平衡。对临界点进行了比较仔细的处理。得到了包含闭场区、中性片和开场区的大尺度日冕磁场位形,闭场区和中性片构成冕流结构。在高纬和低纬地区几个太阳半径之外,等离子体径向流动速度超过了局地声速和局地Alfvén速度。在1AU处,太阳风速度可达到400kms_-1以上      

磁层顶对磁层磁场的影响

太阳风与地磁场相互作用形成的磁层顶对磁层内磁场有重要影响。本文假定地磁场为偶极子,太阳风为理想导体,在太阳风与磁层的边界上满足磁场法向分量为零的边界条件。采用最小二乘法求得磁层顶电流在磁层内产生的磁场的球谐系数。从计算结果可以看出磁层顶对磁层磁场的影响。结果表明,向阳面的磁场、中性点、极光区的位置与形状与实际观测比较接近;磁尾磁场与实际观测相差较远,原因是没有加上磁尾片电流。文中还给出了太阳风与地磁轴交不同角度时的磁层磁场的计算结果。      

月球尾迹的二维MHD模拟

采用理想的二维单流体MHD方程,对太阳风通过月球时所形成的尾迹结构进行数值模拟,得到了太阳风尾迹的粒子分布及磁场分布.模拟结果表明,在月球背阳面的本影区,太阳风粒子密度急剧下降,行星际磁场增强.当行星际磁场与太阳风流动方向平行时,尾迹被拖得很长,而磁场与太阳风流动方向垂直时,尾迹较短.      

太阳宁静区磁漏斗结构的扩展特征

通过对观测的光球纵向磁场进行势场外推, 重构了一个太阳宁静区光球以上的磁场结构. 结果显示, 在20 Mm 以下, 开放磁力线呈现多个明显的小磁漏斗结构, 这些小磁漏斗结构随高度扩展, 并且在20 Mm 左右融合成大的漏斗结构. 通过系统地研究磁漏斗结构横截面积随高度的变化趋势, 发现太阳宁静区磁漏斗结构的截面积随高度近似线性扩展, 磁漏斗结构在较低高度上(<20Mm) 扩展的速度比在较高高度上 (>20Mm) 扩展的速度要快. 这一结果对太阳风起源和磁环中物质流动的二维数值模拟具有重要的意义. 同时还发现, 闭合磁力线的数目随高度以指数函数的形式减少.      

1998年5月日冕三维结构的数值模拟

采用三维理想磙流体力学（MHD）模式，内边界条件把二维投影特征线边界方法推广应用到三维计算，有效地稳定了数值计算并保证稳态解的自洽性；初始猜解磁场由1935卡林顿周光球磁场观测数据得到，这样计算得到的1998年5月份期间日冕三维结构比较符合实际，计算结果表明：（1）计算得到的源表面非径向磁场量值在磁中性线附近不超过2μT，表明源表面磁场基本径向。（2）模拟得到的源表面径向磁场量值除了在磁中性线附近的区域外变化不大，这和观测一致。（3）由源表面磁场按平方反比的规律计算出1AU处磁场量值更接近观测值。（4）计算得到的日冕结构和观测定性一致，三维数值模拟结果表明，日冕的三维大尺度背景结构主要是由磁场决定的，在闭磁场处或者电流片附近，太阳风的密度高，速度低；在开场区，太阳风的密度低，速度高。     

磁场强度对日冕定态结构的影响

以二维ＭＨＤ模型及时变方法为基础,内外边界完整的设影特征线边界条件,考察了太阳日冕大气的定态结构随偶极场强度的变化情况。模拟结果表明：随着偶极场强度的增加,磁场对太阳风的约束增强,低纬闭磁场打开程度减少,高纬与低纬区速度差增加,并且在阿尔文马赫数为１的点附近达到最大,速度过度区变陡;随着日心距离增加,低纬区宽度减小,速度过渡区变陡,可定性解释Ｕｌｙｓｓｅｓ飞船的新观测事实。     

基于ACE飞船观测的银河宇宙线与太阳风变化的统计研究

基于ACE飞船的资料，通过时序迭加方法统计分析了最近两个太阳活动极小年时期（2007.0-2009.0和2016.5-2019.0年）的宇宙线计数与太阳风参数的关系.结果表明，宇宙线的计数受太阳风共转流相互作用区的强烈影响，宇宙线计数变化与快慢太阳风流界面的位置密切相关，例如流界面的穿越通常伴随着宇宙线计数的下降.分析表明，第一时段的具有“雪犁”效应的宇宙线计数下降对应于流界面附近的扩散系数急剧下降，而第二时段的非“雪犁”效应的计数下降可能是由穿越流界面后的扩散系数增大引起的.日球层电流片也与宇宙线计数变化存在一定的相关性，宇宙线粒子在日球层电流片附近存在一定程度的堆积.太阳风对宇宙线的作用机制表明，宇宙线的漂移和扩散效应决定了其在1AU附近的分布变化.      

高速太阳风中α粒子分布的形成

以多级波粒相互作用模型和1维电磁混合模拟方法研究了高速太阳风中α粒子分布的形成机制．认为α粒子从其产生区到1AU,经历4个特征区域：在冕洞下方的小尺度磁重联区,α粒子产生并得到加速：在约十几个太阳半径日冕区,α粒子形成球壳分布函数：在几十个太阳半径处,在Alfven波和温度各向异性不稳定性的作用下,α粒子分布函数演化为漂移Maxwell分布：当α粒子进入0．3－1AU时,Alfven波的作用使α粒子速度超过太阳风速度约1个局域Alfven速度．     

冕洞特征参数与重现型地磁暴关系的统计研究

在提取冕洞特征参数的基础上,利用1996年到2005年8月近十年来对地磁扰动有影响的356个冕洞事例,定量分析了冕洞特征参数(包括冕洞的面积比、经纬度跨度等)与冕洞高速流特征、重现型地磁扰动特征(包括扰动大小和持续时间等)之间的相关性,研究发现,从引起地磁扰动的冕洞在整个太阳活动周的分布来看,在地磁扰动峰年中冕洞影响同样具有重要的贡献;冕洞高速流太阳风速度与地磁扰动强度之间存在较强的相关性,而高速流中太阳风速度与冕洞面积比关系不大,与冕洞亮度存在一定相关性;冕洞的经度跨度与地磁扰动持续时间存在很强的正相关性.      

太阳活动下降期的日冕大尺度磁场和冕洞分布

本文应用十八、十九周下降期的地磁观测资料导出了对应时期太阳风速度的卡林顿经度变化,并结合由极盖区地磁观测导出的行星际磁扇形结构确定十八、十九周下降期太阳南北磁极极性、类偶极点的太阳余纬和卡林顿经度,从而确定了该时期的冕洞分布,并与二十周冕洞分布进行比较.      

太阳风速度的源表面二维结构

以IPS观测数据为基础，在考虑了加速剖面对太阳风源位置和速度大小的影响下，探讨了1984年1745-1755Carrington周太阳风速度在源表面上的二维分布.结果显示：观测和理论结果均显示出此期间北半球太阳风速度明显高于南半球，特别是经度0一30°，300-360°N的高速流均有不同程度的从极区向南侵的现象.低速带与磁中性线有一定程度的类似即均为单峰结构.但理论和观测给出的低速带的峰值位置与磁中性线的峰值位置略有差异，而且磁中性线的报幅大于观测和理论的结果.     

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1.36Rs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-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.      

Three Dimensional Simulation of the Steady Solar Wind in Carrington Rotation 1935

A three-dimensional MHD simulation is conducted to study the steady solar wind in Carrington Rotation (CR) 1935 by using the three-dimensional numerical magnetohydrodynamic (MHD) model introduced by Feng et al. The numerical results demonstrate that the neutral current sheet has two peaks and two valleys, which is consistent with the result of PFSS model at Wilcox Solar Observatory (WSO). The obtained proton number density at 2.5 Rs is of the same order of magnitude as the result estimated from K-coronal brightness during the CRs 1733-1742 in 1983made by Wei et al. The radial velocity profile along heliocentric distance is consistent with that of low solar wind speed deduced by Sheeley and Wang et al. However, it is not able to reproduce the fast-speed flow in coronal holes and slow solar wind in streamers because of oversimplified energy equation adopted in our model. Future efforts must be made to remedy this deficiency.      

太阳风速度及日球电流片对CME渡越时间的影响

基于1996-2005年88个引起重大地磁暴的CME(日冕物质抛射)事件、1996-2000年的47个CME事件以及1997-2002年的29个全晕状CME事件,结合ACE卫星在1AU处的太阳风和行星际磁场观测资料以及Wilcox Solar Observatory(WSO)天文台的太阳光球层磁图,分析了背景太阳风速度和日球电流片对CME到达1AU处渡越时间预报误差的影响.结果表明,背景太阳风速度与CME渡越时间误差并没有明显的相关性,在考虑了磁云通量管轴相对黄道面夹角的影响后相关性依然不明显.然而日球电流片对CME渡越时间却有明显的影响,对于初速度较小的异侧CME事件,其渡越时间大于同侧事件;而对于具有较大初速度的CME事件,异侧事件的渡越时间明显小于同侧事件.研究结果表明,CME与太阳风以及日球电流片的相互作用并不是简单的对流相互作用,造成高速CME异侧事件快于同侧事件到达地球的因素非常复杂,有待深入研究.      

Plasma polarization electric field derived from radio sounding of solar wind acceleration region with spacecraft signals

Presented is the analytical approximation of averaged solar wind velocity radial dependence in the solar wind acceleration region at heliolatitudes below 60° under low and moderate solar activity. This empirical approximation is based on the data of radio sounding of the solar corona with radio signals from various spacecraft. Deduced is an equation connecting the solar wind velocity radial dependence and the radial dependence of solar wind plasma polarization electric field intensity. This allows constructing a semi-empirical radial dependence of plasma polarization electric field corresponding to the empirical radial dependence of solar wind velocity. Main properties of the semi-empirical dependence, which is based on radio sounding data, are described.     

Solar wind velocity measurements near the sun using Ulysses radio amplitude correlations at two frequencies

Measurements of solar wind velocity have been derived from simultaneous coronal sounding observations of radio amplitude scintillations at both S-band and X-band during the solar conjunction of the Ulysses spacecraft in August 1991. The signal amplitude was recorded with an averaging time of 1 s. A cross-correlation analysis between S- and X-band amplitude fluctuations shows that the fluctuation signature at S-band appears to be shifted to earlier times with respect to the X-band recording. The time difference is proportional to the coronal separation of the ray paths and inversely proportional to the apparent velocity of plasma inhomogeneities across the ray paths. Preliminary estimates of solar wind speed obtained using model calculations of the differential refraction are found to lie near the expected transition from subsonic to supersonic velocities at solar offset distances of the order of 6–8 R. As a byproduct of the investigation, we find that the transition from weak to saturated scintillation occurs at about 16 R for S-band and 7 R for X-band.     

On the correlation of the solar wind observed at the L5 point and at the Earth

The L5 point is a promising location for forecasting co-rotating high-speed streams in the solar wind arriving at the Earth. We correlated the solar wind data obtained by the Nozomi spacecraft in interplanetary space and by the Advanced Composition Explorer (ACE) at the L1 point, and found that the correlation is significantly improved from that of the 27-day recurrence of ACE data. Based on the correlation between the two spacecraft observations, we estimated the correlation of the solar wind velocity between the L5 point and at the Earth, and found that the correlation coefficient was about 0.78 in late 1999, while that of the 27-day recurrence was 0.51. Eighty-eight percent of the velocity difference falls within 100 km/s between the L5 point and the Earth. This demonstrates the potential capability of solar wind monitoring at the L5 point to forecast the geomagnetic disturbances 4.5 days in advance.     

太阳风中动力论Alfven波湍流谱(b)二次激发

根据行星际Alfven湍流是由动力论Alfven波集合形成的模型理论。将行星际Alfven湍流分为三个区域:湍流耗散区、二次激发区和湍流惯性区。并对各区湍流谱的特性分别给出解释。由动力论Alfven波的二次激发和衰减,解释了太阳风高速流质子温度高于电子的事实。