中性电流片的形成和环形日冕瞬变

在双极背景场下,光球层反向磁通量的喷发将会在新老磁场之间形成中性电流片.本文从理想磁流体方程组出发,考虑磁场和日冕等离子体的相互作用,对上述电流片的形成过程进行了数值研究.结果表明,对亚音速喷发,将由里向外形成四个区域:(1)由喷发物质直接形成的低温,高密度日珥,位于最里层;(2)紧挨抛射日珥的低温稀疏区;(3)喷发物质和日冕物质向中性电流片集中形成的高温.高密度物质环;(４)在环的周围,由快磁声波形成的,密度略比日冕背景为高的前鞘区.上述结构与典型的环形日冕瞬变的观测特征相符.由此表明双极背景场下反向磁通量的喷发可能是触发这类瞬变的重要机制.      

日冕扰动传播的数值模拟(Ⅲ)太阳风的影响

本文数值研究了二维磁流体动力学平衡基态下开场区日面冷物质径向喷射所引起的日冕动力学响应。结果表明:(1)在高密度环前方有一弱扰动区近似以Alfvén速度向外传播;(2)高密度环前缘移动速度随着径向距离而增加, 其增加值近似为局地太阳风速度;(3)高密度环中等离子体的最大径向速度约在4个太阳半径处趋于局地逃逸速度;(4)对于强开放场, 环形结构在θ方向上没有明显的扩张。这些结果可以更好地解释伴随有日珥的日冕物质抛射事件。      

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。     

无力场的触发重联和太阳耀斑

采用多步隐格式,对在瞬间形成的电流片的触发下的高剪切无力场的磁重联过程进行了数值模拟。磁重联首先在交界面处的非中性电流片区出现,然后向无力场区蔓延。在磁重联过程中,在无力场区形成一高温环状结构,物质向光球层流动。在高温环内侧的新喷发场区,物质向上流动。磁重联主要集中在初始电流片外侧的高剪切无力场区,高温环顶部的温度最高,位置基本固定。在磁重联的过程中,剪切磁场分量的空间梯度减小,无力场因子下降。     

日冕能量中性原子编码调制成像方法应用

针对空间天气活动机理、机制及规律等方面研究需要，Kuafu卫星计划提出对日冕中性原子进行成像观测.通过分析日冕中性原子观测的科学意义和观测方法，采用编码调制方法进行日冕中性原子成像，并依据科学指标完成了整个仪器初步方案设计和仿真计算.仪器测量的中性原子能量范围为0.5~6MeV，视场范围为360°×10°.利用高压静电偏转电极板去除测量范围内的带电粒子，仪器由m序列编码调制栅网与硅半导体构成的成像结构及电子学箱共同组成.编码成像方案和仿真计算奠定了日冕中性原子成像观测的技术基础，可为空间天气中长期规律及预报等研究提供技术手段.      

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.      

WSA太阳风经验模型及其应用

Wang-Sheely-Arge （WSA）模型是对准稳态太阳风的经验和物理相结合的描述,其利用观测的日面磁图作为输入,可以提前3到4天预测L1点处的太阳风速度和行星际磁场极性.WSA模型是在WS模型的基础上经过若干改进形成的实时预报模式,之后又借鉴Distance from the Coronal Hole Boundary （DCHB）模型的参数,进一步改进了太阳风速度关系式,形成了目前常见的形式.WSA经验模型由日冕磁场模型、太阳风速度关系式和一维运动学模型三部分组成.在实际应用过程中,基本步骤包括观测磁图预处理、日冕三维磁场反演、计算日冕磁场参数、计算太阳风的速度分布和将太阳风映射到1AU等环节.在发展过程中,WSA模型经历了一些细节上的调整变化,例如观测磁图数据的来源、日冕磁场模型的类型、经验速度关系中自由系数的取值等.许多研究对如何改善模型的预报效果进行了探索.      

太阳大气中自发重联的数值模拟(Ⅰ)

本文在考虑了热传导、焦耳耗散和反常电阻的情况下, 研究了日冕电流片中的自发重联过程. 结果表明自发磁重税可通过反常电阻的焦耳耗散加热大气, 这种作用与β值的大小密切相关. 这也许可以解释活动区日冕环的稳态加热和耀斑前的预热相;当考虑电流片位形的下边界为固定边界时, 由于系连效应会自然形成盔状结构, 并且物质以40km／s的速度沿两“腿”下落, 这种下落物质速度将造成谱线红移.      

二维太阳风速度结构与日球电流片

本文分析了第1733—1742Carrington周的太阳耀斑、行星际闪烁(IPS)、太阳风及K-日冕资料,对二维太阳风速度结构进行了综合研究。结果表明:速度的大尺度分布、高速区、速度梯度、经度不均匀性和边界形状等方面相对于太阳赤道面都是不对称的;通过对理想的和实际的电流片以及飞船测量的磁场和速度比较,可以看到电流片附近大体上为低速区,但不存在简单的对应关系;扰动太阳风对背景太阳风的二维速度结构有显著的影响;理想电流片与实际电流片之间也存在较大的差距。      

太阳大气中自发重联的数值模拟（I）

本文在考虑了热传导、焦耳耗散和反常电阻的情况下，研究了日冕电流片中的自发重联过程。结果表明自发磁重联可通过反常电阻的焦耳耗散加热大气，这种作用与苈值的大小密度相关，这也许可以解释活动区日冕环 的稳态加热和耀斑前的预热相；当考虑电流片位形的下边界为固定边界时，由于系连效应会自然形为盔状结构，并且物质以４０ｋｍ／ｓ的速度沿两“腿”下落，这种下落物质速度将造成谱线红移。     

Reconnection during substorms and solar flares

The patterns of reconnection in the Earth magnetotail and in the solar corona above the active region are presented. The electric field and field-aligned currents (FAC) generation in the current sheet are discussed.     

Current sheets in the solar atmosphere

The 2D and 3D numerical simulation is used for the investigation of current sheet (CS) creation above the active region. The current sheet in the solar corona can be created either in vicinity of a magnetic field singular line by focusing disturbances or at the interaction of the super-Alfvenic plasma flow with the perpendicular magnetic field.     

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.     

带电粒子在中性线磁场中运动的解析轨道

本文我们计算了带电粒子在中性线磁场中运动的解析轨道。其结果是:(1)带电粒子在中性片磁场中的运动是粒子在中性线磁场或在具有北向分量的中性片磁场中的第一级近似形式。(2)带电粒子在中性片磁场中的解析轨道的第三级近似形式与电子计算机计算的数值轨道基本相同。它们仅仅在小扰动区与非小扰动区的交界线上出现一些偏差。(3)带电粒子在整个中性片磁场的运动可以分成三种形式。粒子一方面在垂直于磁场的平面上作闭合的周期性轨道运动, 同时闭合轨道的中心还沿着垂直于磁场平行于中性线方向漂移。另一方面粒子还沿磁力线方向做等速运动。(4)在小扰动区中粒子的闭合轨道是一个圆轨道, 但在非小扰动区中却是一个“8”字形轨道, 其漂移速度与小扰动区漂移方向相反, 其大小也比小扰动区漂移大很多。以上结果本文都给出一个完整的解析形式。      

Coupling of the interstellar and interplanetary magnetic fields at the heliospheric interface: The effect of neutral hydrogen atoms

We present numerical results showing the effect of neutral hydrogen atoms on the solar wind (SW) interaction with the local interstellar medium (LISM), where the interstellar magnetic field (ISMF) is coupled to the interplanetary magnetic field (IMF) at the surface of the heliopause. The IMF on the inner boundary surrounding the Sun is specified in the form of a Parker spiral and self-consistently develops in accordance with the SW motion inside the heliopause. The model of the SW–LISM interaction involves both plasma and neutral components which are treated as fluids. The configuration is chosen where the ISMF is orthogonal to the LISM velocity and tilted 60° to the ecliptic plane. This orientation of the magnetic field is a possible explanation of the 2–3 kHz emission data which is believed to originate ahead of the heliopause. It is shown that the topology of the heliospheric current sheet is substantially affected by the ISMF. The interaction pattern dependence on the neutral hydrogen density is analyzed.     

North–South asymmetry in cosmic ray fluxes as measured in the stratosphere and in selected solar wind parameters in the near-Earth space

North–South asymmetry in the cosmic ray fluxes as resulted from the long-term balloon measurements in the northern and southern polar stratosphere does not agree with that found from the neutron monitor data. In order to reveal possible sources of the observed asymmetry, selected interplanetary parameters were examined. North–South asymmetry relative to the heliospheric neutral sheet was considered for solar wind velocity, plasma density and some other solar plasma parameters. It is shown that North–South asymmetry of the solar wind velocity and plasma density depends on the Earth’s heliolatitude and the phase of the 11-year solar activity cycle. This may be relevant to the results of cosmic ray measurements in the stratosphere.     

太阳宇宙线源物质的高色球层模式和重离子丰度过量机制的探讨

本文利用太阳能量粒子事件中重离子平均丰度过量的资料,计算得到太阳能量粒子源物质的温度,提出了描述太阳宇宙线能量粒子源物质的新模式——高色球层模式;太阳耀斑观测确定,太阳宇宙线耀斑的加速区一般最可能出现在低日冕甚至高达几万公里的高度,从而,太阳宇宙线的源和加速区通常不位于同一区域;进而提出了描述太阳能量粒子事件中重离子丰度过量的可能机制——其源物质是通过太阳黑子的冻结型无力场从高色球层输送到活动区,形成耀斑前加速区内重离子丰度大和耀斑后宇宙线中重元素丰度的过量.      

The composition and distribution of anomalous cosmic rays

The composition of anomalous cosmic rays (ACR), is thought to reflect that of the neutral atoms in the very local interstellar medium, such as helium, nitrogen and neon. Recent observations in the outer heliosphere have provided the first unambiguous evidence for ACR argon, carbon and hydrogen, as well, and a method has been developed to relate the ACR abundances to those of the interstellar medium. The observations also indicate persistent negative latitudinal gradients, opposite to that observed by Pioneer 11 during the previous minimum in solar activity. These and other results are consistent with the presence of gradient and curvature drift during solar minimum periods when the tilt of the interplanetary neutral sheet is small.