异常SSC事件的行星际原因分析

磁暴急始(SSC)是强烈太阳风动压或行星际激波与磁层相互作用的结果.通常SSC事件的上升时间在4～10 min,我们把上升时间超过15 min的SSC事件称为异常SSC事件.本文利用地磁SYM-H指数鉴别出了5个有地磁观测历史以来发生的上升时间大于15 min的异常SSC事件,并利用Wind,ACE,IMP 8,Goes,Geotail多点卫星太阳风观测数据和地磁观测数据,分析了异常SSC事件的行星际原因.结果表明,异常SSC事件通常都是强烈行星际扰动引起的,5个异常SSC事件有4个对应于行星际激波,有3个对应于多步太阳风动压跃变,有1个对应于行星际电场大幅度变化;由行星际激波产生的异常SSC事件,其上升时间依赖于行星际激波的方向,方向相对于日地连线越偏,上升时间越长;异常SSC事件上升时间与行星际磁场方向关系不明显.      

地球磁场对太阳风扰动响应的研究

分别对行星际激波、太阳风动压增大事件和减小事件的地球磁场响应进行了比较. 分析结果表明, 同步轨道磁场对太阳风扰动在向阳面产生较强的正响应, 在背阳面 响应较弱且有时会出现负响应, 地磁指数SYM-H对太阳风扰动的响应为正响应. 同时还得出, 向阳侧同步轨道磁场响应幅度d Bz与地磁指数响应幅度d SYM-H、上下游动压均方差均具有较好的相关性. 地磁指数响应幅度与同步轨道磁场响应幅度相关关系在激波和动压增大事件中具有一致性, 动压减小事件出 现明显差异, 这说明激波和动压增大事件在影响地球磁场方面具有某种共性.      

太阳风扰动对极光电急流和环电流指数的影响

利用WIND卫星的太阳风观测数据和地磁活动指数, 研究了太阳风扰动对环电流SYM-H指数, 西向极光电急流AL指数和东向极光电急流AU指数的影响. 结果表明, 太阳风动压增长和减少能够同步或延迟引起地磁活动指数的强烈扰动, 其包括环电流指数的上升, 西向极光电急流指数的下降和东向极光电急流指数的上升. 太阳风动压的突然剧烈增加还能够触发超级亚暴和大磁暴. 太阳风动压脉冲引起的地磁效应具有复杂的表现形式, 这说明太阳风动压脉冲的地磁效应不仅与太阳风动压脉冲大小和持续时间有关, 还与磁层本身所处的状态有关. 时间尺度较长, 消耗能量较大的磁暴只有大的持续时间较长的太阳风动压脉冲才能激发.      

1998年10月18——-19日磁暴主相的行星际源分析

采用高时间分辨率的地磁指数SYM-H, 同时考虑日地连线引力平衡点(L1点)太阳风地磁效应的滞后性, 精确分析了1998年10月18---19日大磁暴主相的行星际源. 分析结果表明, 磁暴主相的行星际源仅为行星际激波和行星际日冕物质抛射之间的太阳风(Sheath), 磁云对磁暴主相没有贡献. 这个磁暴事例的研究表明, 行星际磁场南向分量与太阳风动压的乘积是影响磁暴主相发展的关键参数.      

ICME期间磁暴的太阳风参数和极光沉降能量

基于1995-2004年ICME驱动的强烈磁暴(SA型)、强磁暴(SB型)和延迟型主相暴(SC型)三种磁暴类型,对1AU处太阳风动压、太阳风速度、行星际磁场、EK-L电场以及极光沉降能量进行时序叠加分析,并分别与-vBz耦合函数和Newell耦合函数进行对比.结果表明,三种磁暴在ICME到达前期的太阳风动压较稳定,背景太阳风、极光沉降能量、行星际磁场和磁层存在相对平静期. ICME到达前期SA型磁暴的背景太阳风速度、行星际磁场南向分量以及极光沉降能量的均值高于另外两种磁暴类型,这说明大型日冕物质抛射在ICME到达前就对行星际磁场、背景太阳风和HP产生了影响.磁暴急始后,SC型磁暴的EK-L电场斜率小,峰值延后且行星际磁场北向分量增强,这些都是磁暴主相延迟的表现,极光沉降能量随着行星际磁场转为南向而增加.     

全晕CME与太阳质子事件的关系

日冕物质抛射（CME）是太阳质子事件的重要源头.CME的速度和源区位置是太阳质子事件产生的重要因素.通过统计最近5年全晕CME与太阳质子事件的关系发现,速度大且源区位置距离日面上连接地球磁力线足点近的全晕CME更易引发太阳质子事件,其中速度大于1200km…-1、角距离60°以内的样本引发太阳质子事件的概率最高.对3个未引发太阳质子事件的高速全晕CME进行了详细分析,发现CME的主体爆发方向和行星际磁场环境的变化也影响太阳质子事件的产生.因此,在太阳质子事件的实际预报中,综合CME爆发速度、源区位置、主体抛射方向和行星际环境等多个因素才能给出更准确的事件预报结果.      

两个临近脉冲型太阳能量电子事件的观测与拟合

WIND飞船在2010年11月15日观测到两个临近的脉冲型太阳能量电子事件, 这两个事件在1AU处呈现出不同类型的通量-时间曲线. 事件一的通量表现出快速上升及快速下降的特性; 事件二则表现为缓慢上升, 更缓慢下降, 事件二的持续时间是事件一的5～17倍. 以往的解释认为事 件二中的电子在行星际受到了更强的散射. 本文引入等腰三角形的释放函数并 求解电报方程, 利用得到的解对1AU处的观测进行拟合. 根据最佳拟合结果 反推两事件在太阳上的释放函数和在行星际传播的平均自由程, 发现造成两事 件在1AU处能谱和通量-时间曲线形状不同的原因是太阳上电子 加速过程的不同而非行星际散射. 结合SOHO卫星的白光观测, 发现两事件可能 与一个CME (日冕物质抛射)相关, 并进一步推测了这两个太阳电子事件可能 的加速图像.      

太阳风动压脉冲结构的方向与种类统计研究

基于WIND飞船1995-2014年观测到的13042例非激波太阳风动压脉冲结构（Dynamic Pressure Pulse,DPP）事件列表,统计分析DPP事件法向分布特征,讨论其种类分布.研究发现:DPP事件上下游磁场矢量之间的夹角分布统计上呈双幂律谱分布;60.46%的非激波DPP事件法向矢量的倾斜角-方向角（θ_n-φ_n）主要集中分布在-50° ≤θ_n≤ 50°,160° ≤φ_n≤ 250°的区域内;θ_n-φ_n分布图的中心位置大概为（-22.83°,186.59°）;根据DPP的上下游磁场变化特征,可将DPP分为切向间断（TD）、旋转间断（RD）、混合间断（ED）及其他间断（ND）结构,四者所占比例分别为46.42%,19.53%,27.47%,6.58%.统计结果表明DPP事件TD占优.此外,TD/RD数量的比值在太阳活动低年时明显偏大.研究结果可为下一步准确预报DPP到磁层的传播时间以及探究DPP的形成机理等提供观测依据.      

地磁Ap指数滞后太阳周循环分析

把1932-2006年地磁Ap指数12个月流动均值分解成为(Ap)R和(Ap)I.其中(Ap)R为太阳黑子数R的线性函数,与太阳黑子数R相位相同,可能对应于日冕物质抛射(CME)等地磁控制因素. (Ap)I分量与太阳黑子数R相位相差约180°,该分量可能对应于极冕洞变化(从太阳峰年开始,由日面极区逐渐向赤道延伸).以地磁Ap指数与太阳黑子数R滞后非常严重的第20太阳周为例,证实了(Ap)I分量与极冕洞向赤道延伸循环变化相对应.因此极冕洞循环变化可能是导致地磁扰动指数与太阳周循环相位不一致,出现滞后现象的一个十分重要原因.      

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太阳活动周中等地磁暴行星际源的统计分析

统计了第23太阳活动周(1996--2006年)发生的183次中等强度地磁暴(-100 nT < Dst ≤ -50 nT)的行星际源,分析了中等磁暴的年分布状况以及引起中等磁暴的不同行星际结构在太阳活动周中的分布特征,同时,与强磁暴行星际源的分布状况做了对比分析,主要的统计分析结果如下. (1)共转相互作用区CIR与行星际日冕物质抛射ICME在中等磁暴中具有同等重要的作用,且在ICME中,具有磁云结构和非磁云结构的ICME在引起中等磁暴的能力方面也基本相同,但带有鞘层结构的ICME在引起中等磁暴中具有更重要的作用. (2)中等磁暴在极大年(2001年)和下降年(2003年)发生次数最多,与地磁活动的双峰年对应,在极小年(1996和2006年)发生次数最少,与地磁活动低年对应,在其他年份分布较平均. (3)中等磁暴在太阳活动极大年主要由ICME引起,在上升年和下降年CIR在其中起主要作用,且下降年基本是上升年的两倍,而对于强磁暴而言,ICME始终是最重要的行星际源.      

The auroral activity during the main phase of magnetic storms

The relationship of auroral activity indices (AE, Kp, SME) with interplanetary medium parameters during the main phase of magnetic storms is studied. For the period 1990–2020, 142 magnetic storms driven by (41) Sheath, (61) CIR, and (40) ICME events are selected. It is found that the correlation coefficient between average values of the SME index and the SW electric field for Sheath (r = 0.75) is close to correlation coefficients for CIR and ICME events. The correlation coefficient between Kp_aver&Esw_aver (r = 0.72) is higher than the correlation coefficient between AE_aver&Esw_aver (r = 0.63) at the main phase of magnetic storms induced by the Sheath events. It is shown that average values of SW dynamic pressure and IMF σB fluctuations correlate each other for all types of SW.     

Relationship between substorm activity and the interplanetary medium parameters during the main phase of strong magnetic storms

In the present paper dependences of substorm activity on the solar wind velocity and southward component (Bz) of interplanetary magnetic field (IMF) during the main phase of magnetic storms, induced by the CIR and ICME events, is studied. Strong magnetic storms with close values of Dst_min?≈??100?±?10?nT are considered. For the period of 1979–2017 there are selected 26 magnetic storms induced by the CIR and ICME (MC?+?Ejecta) events. It is shown that for the CIR and ICME events the average value of the AE index (AE_aver) at the main phase of magnetic storm correlates with the solar wind electric field. The highest correlation coefficient (r?=?0.73) is observed for the magnetic storms induced by the CIR events. It is found that the AE_aver for magnetic storms induced by ICME events, unlike CIR events, increases with the growth of average value of the southward IMF Bz module. The analysis of dependence between the AE_aver and average value of the solar wind velocity (Vsw_aver) during the main phase of magnetic storm shows that in the CIR events, unlike ICME, the AE_aver correlates on the Vsw_aver.     

Substorm activity during the main phase of magnetic storms induced by the CIR and ICME events

In this work, the relation of high-latitude indices of geomagnetic activity (AE, Kp) with the rate of storm development and a solar wind electric field during the main phase of magnetic storm induced by the CIR and ICME events is investigated. 72 magnetic storms induced by CIR and ICME events have been selected. It is shown that for the CIR and ICME events the increase of average value of the Kp index (Kp_aver) is observed with the growth of rate of storm development. The value of Kp_aver index correlates with the magnitude of minimum value of Dst index (|Dst_min|) only for the ICME events. The analysis of average values of AE and Kp indices during the main phase of magnetic storm depending on the SW electric field has shown that for the CIR events, unlike the ICME events, the value of AE_aver increases with the growth of average value of the electric field (Esw_aver). The value of Kp_aver correlates with the Esw_aver only for the ICME events. The relation between geomagnetic indices and the maximum value of SW electric field (Esw_max) is weak. However, for the ICME events Kp_aver correlates with Esw_max.     

Large geomagnetic storms of extreme solar event periods in solar cycle 23

During extreme solar events such as big flares or/and energetic coronal mass ejections (CMEs) high energy particles are accelerated by the shocks formed in front of fast interplanetary coronal mass ejections (ICMEs). The ICMEs (and their sheaths) also give rise to large geomagnetic storms which have significant effects on the Earth’s environment and human life. Around 14 solar cosmic ray ground level enhancement (GLE) events in solar cycle 23 we examined the cosmic ray variation, solar wind speed, ions density, interplanetary magnetic field, and geomagnetic disturbance storm time index (D_st). We found that all but one of GLEs are always followed by a geomagnetic storm with D_st  −50 nT within 1–5 days later. Most(10/14) geomagnetic storms have D_st index  −100  nT therefore generally belong to strong geomagnetic storms. This suggests that GLE event prediction of geomagnetic storms is 93% for moderate storms and 71% for large storms when geomagnetic storms preceded by GLEs. All D_st depressions are associated with cosmic ray decreases which occur nearly simultaneously with geomagnetic storms. We also investigated the interplanetary plasma features. Most geomagnetic storm correspond significant periods of southward B_z and in close to 80% of the cases that the B_z was first northward then turning southward after storm sudden commencement (SSC). Plasma flow speed, ion number density and interplanetary plasma temperature near 1 AU also have a peak at interplanetary shock arrival. Solar cause and energetic particle signatures of large geomagnetic storms and a possible prediction scheme are discussed.     

Solar and interplanetary parameters of CMEs with and without type II radio bursts

We have analyzed 101 CMEs, and their associated ICMEs and interplanetary (IP) shocks observed during the period 1997–2005. The main aim of the present work is to study the interplanetary characteristics of metric and DH type II associated CMEs such as, shock strength, IP shock speed, ICME speed, stand off distance and transit time. Among these 101 CMEs, 38 events show both metric and DH type II bursts characteristics. There are no metric and DH type II association for 52 events. While DH type II alone is found in 7 cases, metric type II alone is found in 4 events. It is found that the mean speeds of CMEs increase progressively from CMEs without type II events to CMEs associated with metric and DH type IIs as suggested by Gopalswamy et al. (2005). In addition, we found that the speeds of ICMEs and IP shocks progressively increase in the following order: events without metric and DH type IIs, events with metric alone, events with DH alone and events with both metric and DH type IIs. Similarly the Mach number is found to increase in the same order. While there is not much change in the stand-off distance among these cases, it is minimum (∼18 R_⊙) for CMEs with speed greater than 2200 km/s. The above results confirm that more energetic CMEs can produce both metric and DH type IIs for which the interplanetary parameters such as mean values of ICME speed and IP shock speed and Mach number are found to be higher.     

太阳风对流效应对CME渡越时间的影响

基于Gopalswamy预报日冕物质抛射（CME）渡越时间的经验模型,选取1996-2007年间52个与地磁效应Dst<-50nT相关的CME事件以及10个引起特大磁暴（Dst<-200nT）的CME事件,结合ACE卫星在1AU处的太阳风观测资料,分析背景太阳风对流效应对CME到达1AU处渡越时间预报的影响.对于52个CME事件,考虑太阳风对流效应的影响后,预报的标准偏差由16.5h降为11.4h,修正后的误差分布趋向于高斯分布,并且68%事件的预报误差小于15h.对于10个引起特大磁暴的CME事件,考虑太阳风对流效应的影响后,预报的标准偏差由10.6h降低到6.5h,其中6个事件的预报误差小于5h.研究结果表明,对于CME事件,考虑背景太阳风对流效应的影响可以降低预报CME渡越时间的标准偏差,说明太阳风对流效应对预报CME事件渡越时间具有重要作用.