2011年8月4日螺旋状日冕物质抛射爆发事件

利用多卫星多波段的综合观测数据,通过追踪光球表面等离子体速度分析计算了耀斑爆发前后磁螺度的变化,发现耀斑爆发前活动区中光球表面存在强的水平剪切运动,活动区磁螺度的注入主要由这种剪切运动所产生;使用CESE-MHD-NLFFF重建了耀斑爆发前后活动区的磁场位形,推测出耀斑过程中存在磁绳结构的抛射.基于这些分析,给出了这一螺旋状抛射结构的形成机制:爆发前暗条西侧足点的持续剪切运动驱动磁通量绳增加扭转,高度扭缠的通量绳与东侧足点附近的开放磁力线重联并与东侧足点断开,进而向外抛出并伴随解螺旋运动.另外,利用1AU处WIND卫星的观测数据在对应的行星际日冕物质抛射中找到典型磁云的观测特征.这表明除了传统上双足点均在太阳表面的磁云模型,这种单足点固定于太阳表面的磁通量绳爆发图景同样可能在行星系际空间形成磁云结构.研究结果对进一步认识磁云结构具有重要意义.      

基于SDO/HMI全日面实时磁图的活动区自动识别

太阳活动区是太阳活动的主要发生源区，活动区的形态、结构、特征是预报太阳爆发的主要依据.因此，活动区的识别是实现太阳爆发预报的前提.SDO/HMI能够提供连续、高时空精度的全日面光球观测图像.参照文献[1]SOHO/MDI综合磁图中活动区的自动识别方法，利用实时可得的HMI全日面磁图，通过阈值法、数学形态法和区域增长法相结合的方式，开展了活动区的快速自动识别研究.将2010—2018年的自动识别结果与NOAA/SWPC每日发布的活动区结果进行比较发现:通过磁图自动识别的活动区数目与SWPC活动区数目整体变化趋势基本一致，两者的相关系数为0.87；从活动区整体标识的数目上来看，通过磁图自动识别的活动区数目少于SWPC发布的结果.未被自动标识的活动区主要为面积小、磁场弱且磁类型简单的活动区，引发太阳爆发的可能性极小，因此不会对太阳爆发的实际预报产生影响.本文的研究方法和结果能够为太阳活动预报提供实时的活动区数据，加速太阳爆发预报模型的实际应用.      

日冕冲浪形成的磁流体动力学模拟

应用二维时变可压缩磁流体动力学模拟,数值研究了双极-单极磁场中电阻撕裂模不稳定性引起的磁场重联过程,用于模拟日冕冲浪的形成.结果表明,在包含有三区——双极场、电流片和单极场的磁静力平衡初态下,双极场和单极场中的磁力线将会直接重联,磁场演变成鞭状(whip)结构.由弯曲磁力线支撑的等离子体团向上运动到最高位置后,逐渐下落和弥散.等离子体团上升速度可达到0.10v_A(v_A为双极场中的Alfv'én速度).模拟结果证实日冕冲浪的形成可能与双极-单极场中的磁场重联密切相关.      

太阳爆发抵近探测——“触碰计划”

本文旨在介绍一项具有重大科学意义和应用价值的深空探测任务构想.该任务将对驱动恒星大尺度爆发过程的中心结构（即磁重联电流片）进行抵近（原位）探测,主要目的是详细研究发生在离地球最近的恒星-太阳上的大尺度磁重联过程的精细物理特征,揭示太阳系中最为剧烈的能量释放过程（即太阳爆发或太阳风暴）的奥秘.该任务的科学目标:磁重联过程是发生在宇宙磁化等离子体中的能量转换和释放的核心过程,其一直是太阳物理、等离子体物理、空间科学研究领域内的一个极为重要的研究课题及研究方向.通过抵近观测可以将同样设备的分辨能力提高5~20倍,将提供在地球附近无法获得的太阳超清晰图像以及相应的物理信息,让人类在一个前所未有的平台上来研究、认识和了解太阳,从而解决太阳爆发核心驱动过程的精细物理性质与日冕加热等长期困扰太阳物理研究领域的难题.      

太阳X射线耀斑活动区的一些特征

对ISEE-3人造卫星在1980年5月—1981年8月中,观测到的48个X射线耀斑进行了分析,发现其中有1/3是在6个活动区中重复爆发的.研究这部分X射线耀斑的物理性质与所在活动区的黑子面积、活动区类型及磁结构的关系,得到了一些结果:(1)发生在同一活动区中的X射线耀斑,其硬X射线峰值积分流量及谱硬度与活动区黑子面积成正相关;(2)多次爆发X射线耀斑的活动区全部具有δ型磁结构;(3)发生在不同活动区中的X射线耀斑,其物理特征与所在活动区的面积大小无明显关系.由此可以认为,活动区磁场梯度的大小,亦即活动区电流的大小,在爆发耀斑的过程中具有决定性作用.此外,还用电流环模型从理论上讨论了上述特征.     

太阳大气中磁场的扭转储能

本文从完整的磁流体动力学方程组出发, 研究太阳大气中磁力线管根部的扭转储存能量。通过数值方法, 研究了包含太阳表面过渡区在内的非线性无力场的动力学演化。假设初始磁场位形为势场, 根部等离子体运动使活动区磁场扭转。磁能蓬新分布, 在局部区域中储存大量的磁能。计算结果给出非线性无力场的定量关系, 可以解释太阳耀斑的储能过程。      

冷而密的等离子体片及其对磁尾等离子体片分布特性的影响

地球磁尾等离子体片在太阳风-磁层耦合过程中起着重要的作用，其中冷而密的等离子体片是地磁活动平静期太阳风等离子体进入磁层的重要区域.以往的研究通常没有利用局地探测数据针对冷而密的等离子体片发生率在地心太阳磁层坐标系（GSM）中xy平面分布的统计分析.本文利用GEOTAIL卫星1996-2016年的局地测量数据，给出了等离子体片密度、温度及冷而密的等离子体片发生率的二维分布.与温度具有晨昏对称分布不同，等离子体片数密度呈现明显的晨昏不对称性，并且冷而密的等离子体片发生率在晨侧较高.      

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1AU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.      

太阳色球层-日冕中扰动的传播

为了模拟太阳色球层、过渡层和日冕中扰动的传播特征,本文在一自洽的非等温、非均匀等离子体初态下,应用二维时变可压缩磁流体动力学模拟,数值研究了过渡层附近局地加热引起的扰动传播过程.结果表明,扰动分别以局地快磁流波速度向四周传播,数值模拟结果与局地快磁流波推算结果符合得很好,其特征可以解释SOHO/EIT观测到的波动事件.      

磁尾静电离子束流-密度漂移不稳定性的数值研究

本文研究了磁尾等离子体片边界层宽频带静电噪声的产生机制.模型等离子体由暖的背景电子、暖的向地球方向的离子束流和较冷的向尾方向的离子束流组成.结果表明,静电离子束流-密度漂移不稳定性可以在比较宽的频率范围内激发,在低频区大传播角方向上增长率最大,在高频区小传播角方向上增长率也比较大。最大增长率的方向取决于离子束流和密度漂移的速度比值.这些结果与磁尾观测到的宽频带静电噪声特征符合一致.      

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。      

Energization of charged particle in a time-dependent chaotic magnetic field with an implication of the production of seed particles in solar energetic particle events

We investigate the acceleration of charged particles in a time-dependent chaotic magnetic field in this work. In earlier works, it has been demonstrated that in an asymmetric wire-loop current systems (WLCSs), the magnetic field is of chaotic in nature. Furthermore, observations also showed that there exist time-varying current loops and current filaments in solar corona. It is therefore natural to conceive that the magnetic field on the solar surface is chaotic and time-dependent. Here, we develop a numerical model to study the acceleration process of charged particles in a time-varying chaotic magnetic field that is generated by an ensemble of 8 WLCSs. We found that the motion of energetic particles in the system is of diffusive in nature and a power law spectrum can quickly develop. The mechanism examined here may serve as an efficient pre-acceleration mechanism that generates the so-called seed particles for diffusive shock acceleration at a coronal mass ejection (CME) driven shock in large solar energetic particle (SEP) events.     

日冕瞬变的观测特征和理论解释

本文综述了日冕瞬变现象的主要观测特征及其理论模型.日冕瞬变是从太阳日冕中向行星际空间大量抛出物质的过程,每次事件可有5×1015克的物质在103秒的时间内以约500公里/秒的典型速度被驱动流到日球中.日冕瞬变与太阳耀斑和爆发日珥事件有密切的相关性.作为一种新的太阳活动现象,近年来对日冕瞬变提出了许多理论解释.一种数值模拟方法将瞬变看成是由于热力学量或磁力在日冕底部的脉冲增长所产生的结果.许多分析模型认为是由磁环内部的电磁力或外部的磁压力驱动所致,或者是环中磁浮力驱动的结果.考虑到瞬变与耀斑和爆发日珥的相关性,活塞驱动模型认为,瞬变是稠密等离子体喷射,像活塞驱动机制.观测和理论都有待于进一步的研究.      

New insights from cross-correlation studies between solar activity indices and cosmic-ray flux during Forbush decrease events

Observed galactic cosmic ray intensity can be subjected to a transient decrease. These so-called Forbush decreases are driven by coronal mass ejection induced shockwaves in the heliosphere. By combining in situ measurements by space borne instruments with ground-based cosmic ray observations, we investigate the relationship between solar energetic particle flux, various solar activity indices, and intensity measurements of cosmic rays during such an event. We present cross-correlation study done using proton flux data from the SOHO/ERNE instrument, as well as data collected during some of the strongest Forbush decreases over the last two completed solar cycles by the network of neutron monitor detectors and different solar observatories. We have demonstrated connection between the shape of solar energetic particles fluence spectra and selected coronal mass ejection and Forbush decrease parameters, indicating that power exponents used to model these fluence spectra could be valuable new parameters in similar analysis of mentioned phenomena. They appear to be better predictor variables of Forbush decrease magnitude in interplanetary magnetic field than coronal mass ejection velocities.     

日冕扰动传播的数值模拟——(Ⅱ)热传导和辐射的影响

利用包含完全能量方程的磁流体力学方程组,数值研究了磁静力平衡基态下由于日面冷物质径向喷射所引起的日冕动力学响应。这些结果可以解释日珥的形成及伴随的日冕扰动传播。结果还表明,热传导和辐射损失对扰动传播的基本性质影响很小;对于日珥的形成,也未显出重要作用。      

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.      

SMY和第21太阳周期间地磁及太阳活动特点的分析

本文比较第17—21太阳周黑子数、地磁A_p指数、各周极大年≥2级耀斑数、磁暴数及第一、二、三大磁暴情况;分析了≥2级耀斑数及磁暴的分布。21周3级耀斑对应磁暴比例低于19、20周,Ⅳ型及米波射电爆发是产生磁暴的重要条件。进一步分析了21周最大磁暴、最大射电爆发引起的磁暴,最严重的电离层短波通讯干扰及有明亮物质抛射的大耀斑、双带大耀斑引起的磁暴等典型例子。最后对SMY期间22个无黑子耀斑作了分析,它们可能引起中小幅度的磁暴。      

Solar magnetic feature detection and tracking for space weather monitoring

We present an automated system for detecting, tracking, and cataloging emerging active regions throughout their evolution and decay using SOHO Michelson Doppler Interferometer (MDI) magnetograms. The SolarMonitor Active Region Tracking (SMART) algorithm relies on consecutive image differencing to remove both quiet-Sun and transient magnetic features, and region-growing techniques to group flux concentrations into classifiable features. We determine magnetic properties such as region size, total flux, flux imbalance, flux emergence rate, Schrijver’s R-value, R^∗ (a modified version of R), and Falconer’s measurement of non-potentiality. A persistence algorithm is used to associate developed active regions with emerging flux regions in previous measurements, and to track regions beyond the limb through multiple solar rotations. We find that the total number and area of magnetic regions on disk vary with the sunspot cycle. While sunspot numbers are a proxy to the solar magnetic field, SMART offers a direct diagnostic of the surface magnetic field and its variation over timescale of hours to years. SMART will form the basis of the active region extraction and tracking algorithm for the Heliophysics Integrated Observatory (HELIO).     

How much of the solar irradiance variations is caused by the magnetic field at the solar surface?

The contribution to total solar irradiance variations by the magnetic field at the solar surface is estimated. Detailed models of the irradiance changes on the basis of magnetograms show that magnetic features at the solar surface account for over 90% of the irradiance variations on a solar rotation time scale and at least 70% on a solar cycle time scale. If the correction to the VIRGO record proposed by Fröhlich & Finsterle (2001) is accepted, then magnetic features at the solar surface are responsible for over 90% of the solar cycle irradiance variations as well.     

太阳黑子自动识别与特征参量自动提取

日面上黑子数目反映了太阳活动水平的高低.黑子形态的复杂性和磁场的非势性与太阳活动爆发密切相关.随着高时空精度的太阳观测数据量的急剧增长，快速准确地自动识别日面上的黑子以及对黑子群特征自动提取已成为太阳活动预报的现实需求.本文针对SDO/HMI的活动区白光数据，利用数学形态法开展黑子自动识别研究，并在黑子识别基础上对黑子群的面积和黑子数进行了计算.通过对利用2011-2017年HMI活动区数据计算得到的黑子群面积和黑子数与NOAA/SWPC发布的活动区相应参量进行比较，发现本文计算结果与SWPC发布数据的变化趋势基本一致，相关性较好.其中黑子群面积的相关系数为0.77，黑子数的相关系数为0.79.研究结果表明，利用本文方法对SDO/HMI数据进行处理，能够得到高时间分辨率的黑子群特征参量，可为太阳活动预报提供及时准确的输入.