太阳高能粒子事件强度与相关双CME事件关系的两个事例

太阳高能粒子事件常伴随太阳耀斑和日冕物质抛射事件(Coronal Mass Ejections,CME)出现,由于太阳高能粒子事件的关键因素是双CME的相互作用,利用SOHO卫星观测的高能粒子强度、耀斑强度以及CME的相对高度与时间,通过高度与时间拟合得到的速度,分析了2001年4月15日和2005年1月20日的太阳高能粒子事件强度与相关双CME事件的关系,发现这两个太阳高能粒子事件中E ≥ 10MeV质子的强度与双CME事件无关.因此在这两次太阳高能粒子事件早期,E ≥ 10MeV质子的强度只与相关太阳耀斑和CME有关.      

太阳高能粒子事件上升时间统计研究

选取1997-2006年共66个较大的缓变型太阳高能粒子(SEP)事件, 分析了不同条件下太阳高能粒子通量廓线上升时间与源区日面经向分布之间的相关关系, 研究了日冕物质抛射(CME)和耀斑在SEP上升阶段的作用特点.统计结果表明,大SEP事件的源区主要分布在太阳西半球, 特别是磁足点东西两侧45°范围内; 在高速太阳风条件下, 低能通道的通量上升时间与日面相对经度有较好的相关性,即离磁足点越远, 上升时间越长,而高能通道相关性则不明显; 全晕状CME产生的SEP事件对应的上升时间与源区位置没有明显的相关性, 而部分晕状CME伴随的SEP事件则与二次拟合曲线符合很好.分析表明,在缓变型SEP事件的通量上升阶段, 耀斑加速过程起着重要作用,这在部分晕状CME伴随的SEP事件中尤为显著.      

太阳高能粒子观测特征经向分布统计

基于多卫星联合观测数据，筛选了2006年12月至2017年10月期间122个太阳高能粒子（SEP）事件及其伴随的日冕物质抛射（CME），分析了SEP事件属性随相对经度的变化、与CME属性之间相关性的经向分布以及与Fe/O比值的关联.研究结果显示:低Fe/O类事件的峰值通量I_p通常更高，伴随CME更大，但通量上升速度较慢，且其D_u（持续时间）和I_p与CME速度呈现更强的相关性；SEP特征时间T_O（CME爆发至SEP事件爆发）与T_R（SEP事件爆发至半峰值）随相对经度增加而增大，D_u与I_p随相对经度增加而减小，通量上升斜率K在±90°范围内自东向西递减；SEP事件属性与伴随CME属性的相关性随相对经度的改变有明显变化，在磁连接好的位置，T_O与CME速度等属性呈现负相关，T_R与CME速度等属性呈现正相关，D_u，I_p与CME速度之间的相关性更强.研究结果进一步表明，SEP事件观测属性既与CME参数相关，同时又具有很强的经度依赖性，在磁连接越好的位置卫星观测到的SEP事件强度越高，SEP观测参数受CME的影响越大，这对大型SEP事件的预报很有意义.此外，高Fe/O类SEP事件与CME相关性的减弱暗示了耀斑加速、种子粒子源等因素的影响.      

缓变型太阳高能粒子事件特征时间及其经向分布

利用SOHO,STEREO高能粒子观测数据,对2011-2014年30个通量短时间内显著增强的缓变型太阳高能粒子（SEP）事件的两个特征时间（局地爆发时间,起始释放时间）及其经向分布进行统计分析.研究结果显示,多颗卫星同时观测到的SEP事件伴随的日冕物质抛射（CME）角宽明显较一般事件大,且基本都为Halo CME;不同卫星观测到的粒子通量局地增强时间差与卫星位置经度差明显线性正相关且东西不对称;局地爆发时间和起始释放时间相对于耀斑时间的延迟与卫星相对经度正相关;卫星所有能量通道的两个特征时间极差与卫星相对经度呈现较好的正相关,这表明不同能量SEP释放的时间跨度具有明显经度差异;高低能释放时间差与CME速度正相关.这些结论表明,SEP事件的两个特征时间具有明显的经向依赖性,并都与CME速度相关.      

空间等离子体与垂直无碰撞激波相互作用的数值实验

应用混合模拟方法数值研究了高Ａｌｆｖｅｎ－Ｍａｃｈ数垂直无碰撞激波与等离子体间的相互作用。结果表明，激波上游的磁场非常稳定，粒子分布近似为Ｍａｘｗｅｌｌ分布。激波下游磁场存在不规则的湍动，质子分布有一个高能尾，且有些质子被激波反射。跟踪少量高速质子的计算结果表明，在ｔ＝４０Ωｉ＾－１时约有４０％的质子被激波反射，而７％质子可被加速，最大速度值可达到２０ＶＡ激波区的电场分布对质子的减速或加速起了主要     

垂直激波条件下能量粒子加速机制的模拟研究

在具有湍动的磁场和垂直激波条件下对大量测试粒子的轨迹进行了数值计算,研究了激波强度和粒子初始能量对于粒子穿越激波的平均能量变化的影响,分析了漂移加速(SDA)在不同条件下对粒子加速的贡献,并给出了一个与数值结果相符合的漂移加速理论公式△E=amvivup(1-1/s).结果表明,加入磁场湍流后,垂直激波条件下粒子仍主要受到漂移加速作用,而基于粒子引导中心的耗散漂移加速理论在此条件下失效.      

1 AU轨道SEP粒子通量的计算及与多卫星观测结果的比较

1 AU轨道上太阳高能粒子(Solar Energetic Particles,SEP)通量是空间天气的重要指标.将SEP两步传播方程的格林函数解进行数值化,模拟了2012年9月28日的SEP事件,首次计算了同一事件中GOES卫星与STEREO双星观测到的SEP通量变化过程.对GOES和STEREO-B观测点,计算所得SEP峰值I_max和峰值到达时间t_max与观测值符合较好;对STEREO-A,由于观测点与太阳活动源区间隔较大及太阳背面未知事件的影响,计算结果与观测存在一定差异.      

空间辐射粒子引起单粒子翻转率预计

空间辐射粒子引起单粒子翻转（ＳＥＵ）率预计的基础是地面粒子加速器模拟试验数据、卫星轨道的粒子辐射环境模型和高能粒子与器件相互作用模型。引起ＳＥＵ的空间辐射粒子包括银河宇宙射线、太阳宇宙射线和地磁俘获粒子。高能粒子通过电离产生多余电子－空穴对引起ＳＥＵ。介绍了计算轨道中ＳＥＵ率的程序ＣＲＥＭＥ。以８０Ｃ３１微控制器为例,根据串列静电加速器地面模拟试验结果,进行了在轨ＳＥＵ率预计。     

太阳质子事件与太阳耀斑的关系

通过对0°W-39°W,40°W-70°W,71°W-90°W经度范围内太阳质子事件与太阳耀斑的相关性计算分析,发现太阳质子事件与太阳耀斑的相关系数依赖于经度.太阳耀斑积分与地球磁链接区域（40°W-70°W）太阳质子事件强度的相关系数最大.相关系数的这种特点与耀斑加速粒子的最大流量只出现在磁链接区域的特征相吻合.计算结果表明,太阳耀斑对太阳质子事件具有贡献,即耀斑对E ≥ 10MeV的质子加速有贡献.耀斑和CME在磁链接区域对太阳质子事件的贡献相同,这说明太阳质子事件是混合型事件.      

2008年4月24日行星际激波事件相关联的超热电子90°投掷角的增强

利用测试粒子数值模拟的方法研究了与STEREO-A卫星观测到的2008年4月24日行星际激波事件相关联的超热电子90°投掷角的增强.根据激波到达前给定时刻超热电子的观测分布,拟合得到不同投掷角的初始分布函数;在给定的激波参数下,采用时间向后的方法计算特定能道上激波下游超热电子的投掷角分布.由于超热电子具有较高的共振频率,模拟采用的磁场湍流谱包含了低能电子发生共振的耗散区.对以215.76,151.67,106.63,eV为中心的三个能道进行了模拟.结果表明,不同能道上超热电子在激波下游的投掷角分布均在90°投掷角附近出现峰值,呈现出明显的90°投掷角增强,这与观测结果符合得很好.可以认为在激波对电子的加速过程中,电子与湍流耗散区的共振对90°投掷角的增强具有重要作用.      

太阳高能粒子的电荷态和粒子强度间的相关性

本文发表了在太阳高能粒子事件中,元素氦、碳、氮、氧、氖、镁、硅、硫和铁的离子电荷态的分布。研究结果表明,除氦之外上述元素的电荷态分布的不同离子价的数目是随元素的质量而增大。核子能量在2—3MeV范围内,这些元素的平均粒子强度相对于碳的平均粒子强度之间的相关性能够用离子价的数目随元素质量的增加来解释,而不能用日冕温度确定的电荷态平衡模型来解释。且得出结论,太阳高能粒子的离子电荷是在太阳耀斑区而不是在星际激波区产生。      

由太阳爆发事件特征预报地磁暴方法研究

CME是非重现性地磁暴的诱因,通过对太阳耀斑爆发活动的特征与可能引起地磁活动的CME进行统计分析,发现太阳耀斑的强度、位置、持续时间以及耀斑所伴随的太阳质子事件和行星际高能质子通量的增长与CME的特征及可能产生的地磁扰动有着密切的关系.在对数据分析的基础上,建立了基于人工神经网络的预报模式,对太阳耀斑爆发活动所引起的地磁扰动的发生及Ap指数进行了预报,取得了较好的结果.      

欧美发射太阳轨道探测器推动抵近太阳观测

在历时20余年的立项和研制进程后，2020年2月10日由欧空局（ESA）主导、美国参加的太阳轨道探测器任务在美国发射升空，这是人类首个对太阳极区成像的空间太阳物理任务。太阳轨道探测器将用约3年时间在水星轨道以内的大椭圆日心轨道开展近距离太阳观测，用7年（包括3年延寿期）时间在黄道面外开展太阳极区高分辨率成像及探测。该任务有望进一步揭示太阳磁场，太阳活动爆发，太阳风起源、加速及其行星际传播和对地球空间天气的驱动等重要前沿问题的本质，加深对太阳活动周以及日地联系的理解。该任务启示中国空间科学要重视太阳深空观测任务的前瞻布局与立项实施。      

行星际激波对地球磁层的压缩效应分析

2004 年11月9日WIND飞船探测到一个典型的行星际激波. 激波前行星际磁场为持续约50 min的弱南向磁场, 越过激波面, 磁场发生北向偏转且太阳风动压脉冲增强. 在此强动压脉冲增强结构作用下, 磁层被压缩至一个很小的区域. 激波作用于磁层时引起地球同步轨道 各区域高能粒子通量的响应, 但是不同磁地方时的高能粒子通量的响应不同, 表现出双模式扰动, 即在晨昏两侧各能段的电子和质子通量显著增强, 在子夜侧发生类似于亚暴的无色散粒子注入现象. 扰动从向阳面传输到背阳面, 向阳面粒子通量最先增强, 随后背阳面靠近晨昏两侧, 粒子通量开始增强, 最后子夜侧粒子通量表现出无色散高能粒子注入的特点. 另外, 在靠近正午侧, 质子通量先于电子通量发生响应, 在子夜侧电子通量则先于质子通量发生响应. 利用位于向阳面正午两侧的GOES-10 和 GOES-12卫星观测数据发现, 激波作用于磁层时靠近晨侧的磁场变化表现出简单压缩效应, 而靠近昏侧的磁场变化则显然不同, Bx分量减弱, Bz分量几乎减为零, 而By分量则显著增强. 此外, 位于近地磁尾低纬尾瓣区的TC-1卫星观测到激波触发的尾瓣SI现象.      

强磁暴、能量粒子暴与热层大气密度涨落之间的相关关系

利用1997-2007年由GOES8, GOES11和GOES12星载高能粒子探测器在地球同步轨道高度上所探测到的高能质子和高能电子通量探测数据以及高度560km左右星载大气密度探测器所得的热层大气密度探测数据, 统计分析了强地磁扰动、高能粒子通量跃变和热层大气密度涨落之间的相关关系, 初步获得强地磁扰动期间, 地球同步轨道(外辐射带外环)均出现了增幅大于三个数量级的高能质子通量(尤其是E>1MeV)强增强现象, 随后热 层大气密度强烈上涨, 表明三者之间是正相关关系. 在时间上地球同步轨道高能质子通量强增强现象先于日均Ap值(地磁活动程度)上涨约一天左右, 而热层大气密度强涨落现象又明显滞后于强地磁扰动事件.      

行星际激波传播至1AU的渡越时间预测

考虑了激波爆发源角宽度、能量、驱动时间、激波速度及其与背景太阳风之间的相互作用,利用流体力学扰动方程建立起一个激波扰动传播模型,用于研究激波从太阳传播到地球轨道附近(1 AU处)所需要的时间(渡越时间)问题.为印证扰动传播模型的适用性,利用1979-1989年间的27个激波事件,以及1997年2月到2000年1月间的68个激波事件,对激波到达地球轨道附近的渡越时间进行了预测,并将结果与STOA和ISPM预报模型结果进行了比较.实验表明,该模型在所有95个事件中,渡越时间相对误差小于10%的事件数占总事件数的25.26%;相对误差小于20%的占总事件数的50.53%;相对误差小于30%的占总事件的65.26%.      

联合太阳和行星际物理参数预测行星际激波能否到达地球

选取第23太阳活动周（1997—2006年）期间542例由太阳爆发活动驱动的行星际激波事件,分析确定了太阳源头和行星际空间中影响行星际激波能否到达地球轨道的关键物理参数;在此基础上,建立了预测行星际激波能否到达地球的新预报模型（EdEaSPM）. 回溯预报结果表明,EdEaSPM模型的预报成功率约为66%,略高于国际一流预报模型的预报成功率;EdEaSPM模型的虚报率未超过50%,改善了当前国际主流模型虚报率较大的情况;对于偏度指标,虽然当前所有模型的偏度值均大于1,但EdEaSPM模型的偏度值最接近于1且明显小于其他模型的偏度值;EdEaSPM模型的其他评价指标也都高于国际主流模型的相应指标. 此外,选取2012年期间的激波事件对EdEaSPM模型进行了预报检验,预测结果与实际情况吻合. EdEaSPM模型不仅能够提前约1～3天进行预报,而且预报效果与国际一流模型具有可比性,尤其是在提高预报成功率及降低虚报率方面具有一定优势.      

2000年行星际南向磁场事件及相关CME的若干分析

根据WIND飞船的观测资料，讨论了2000年发生的南向磁场（BS）事件，分析了它们的源，发现12次事件中11次的源是日冕物质抛射（CME）。运用从地球向太阳时间倒推的方法和LASCO，EIT195A的观测资料，确定了这些CME。它们都是快速CME，伴有行星际激波，都具有晕状（Halo)形态，它们在日面上发生的位置是在一个不对称的区域内。还分析了5个强南向磁场（BS≥20nT)事件，发现它们的CME源，或者具有很高的能量，或者抛射方向正对地球，或者是具有叠加效应的CME系列，分析表明，在我们所讨论的太阳活动高年，大的行星际扰动和强地磁暴与高速流的联系并不密切。     

准平行无碰撞激波上游能量粒子的观测研究

通过Cluster卫星在2005年3月16日观测到的一个准平行激波观测事例,研究了准平行激波上游低频等离子体波动与能量离子之间的关系.卫星观测结果表明,在准平行激波上游,离子微分能通量受到了非线性波动的调制.在磁场强度较小区域,离子微分能通量较高.产生这种现象的可能原因是准平行激波上游的非线性波动可以捕获离子,被捕获的离子在波动中来回弹跳并被电场加速,从而导致磁场强度较小区域离子微分能通量较高.这一观测结果与已有的混合模拟结果相吻合.      

利用锥模型反演CME三维参数

CME会影响近地空间环境，带来地磁扰动，预报其能否到达地球及何时到达地球具有重要的应用意义.受观测能力限制，通常根据CME在太阳附近的日冕仪投影观测信息，利用锥模型拟合得到三维参数，进而以经验预报或代入行星际传播过程模拟，预报CME的对地有效性.在拟合过程中，可以采取不同时刻日冕仪观测数据作为输入，也可以选择是否限定CME发生在耀斑附近进行拟合，这有可能得到截然不同的CME三维参数，从而严重影响CME的传播预报结果.本文选取一个全晕CME事件和一个偏晕CME事件，分析了不同的数据输入和拟合方式带来的CME三维参数拟合结果的变化，评估其对CME传播预报的影响.研究发现，不同的数据源和拟合方式得到的CME三维参数有较大差异，影响了CME对地有效性的预报.后续有必要通过统计分析，评估采用哪些输入数据、哪种拟合方式，对CME对地有效性的预报更准确.