耀斑激波传播的数值研究

采用一维磁流体力学模型和激波装配法,分析耀斑激波在行星际空间的传播特性和激波下游区的波动结构,并就激波装配法和激波捕捉法的模拟结果的精度和可靠性进行比较.     

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.     

耀斑激波的相互作用

采用一维磁流体力学模型和激波装配法，分析两个相继出现的耀斑激波的相互作用.前导激波下游的稀疏波显著改变后随激波的特性，并在它的下游产生强后向快激波.两耀斑激波汇合后将在下游形成密度比约为1.5的接触间断.     

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%.     

根据行星际闪烁观测研究耀斑—激波前后太阳风电子密度功率谱的变化

采用弱散射与薄屏近似模型，利用快速傅利叶变换和阿贝尔变换的方法，对１９７２年６月１５日耀斑－激波的行星际闪烁观测资料进行了计算，分别计算了激波前与激波后的电子密度功率谱，发现在小波数段都具有幂函数形式，并且波后幂指数值略大于波前幂指数值。说明此例激波后小波数段功率谱略变陡。     

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.     

黄道面内行星际激波相互碰撞作用过程研究—能量效应

本文用两维半MHD数值模型,数值模拟研究了两邻近扰动源所产生的激波在行星际空间黄道面内不同能量时的相互碰撞过程。在内边界(18R_s)两扰动中心的间距取为36°。结果表明:两弱激波(速度在500km/s左右以下)不会产生汇合,而是各自独立地传播;两中等强度激波(速度在1000km/s左右)将发生汇合,但在IAU尚可分辨;两强激波(速度在2000km/s以上)则在1AU以内已发生汇合,汇合后形成一个新激波,其磁场结构与单激波明显不同。激波能量越大,两激波汇合的越快。     

夜侧极区电离层对流对行星际激波的响应

利用超级双子极光雷达网（Super Dual Aurora Radar Network,SuperDARN）高频雷达、北半球IMAGE地磁台链以及南极中山站的极光观测数据,研究电离层对流对2012年7月14日一个行星际激波扰动事件的响应.在18：10UT行星际激波到达地球并与磁层相互作用触发地磁急始和磁层亚暴,SuperDARN雷达观测到北半球夜侧极区电离层对流显著增强,观测视野覆盖黄河站的Hankasalmi雷达观测到从激波到达地球至18：33UT,电离层F层出现剧烈扰动,雷达回波数明显增多,并出现局部对流速度反转现象.18：33UT之后,观测到F层出现三块速度高达600m·s^-1的逆阳运动不规则体.而与Hankasalmi雷达地磁共轭的南半球Kerguelen雷达探测到的回波主要来自E层,回波数量几乎无变化,但是Kerguelen雷达观测视野内的中山站全天空光学成像仪观测到极光活动显著增强.南北半球夜侧电离层观测结果的差异,主要是由于它们分别处于极夜和极昼.     

黄道面内行星际激波相互碰撞作用过程研究—间距效应

本文用两维半MHD数值模型,模拟研究了不同间距的两扰动源所产生的激波在行星际空间黄道面内的相互碰撞过程。在内边界(18R_s),两扰动中心的间距取为24°、36°、48°、54°、72°、120°,模拟了两激波速度均为1000km/s和2000km/s两种情形。结果表明:1.速度为1000km/s的两中等激波,相距24°时,在1AU以内强烈相互作用而汇合成一新激波;相距36°时,在1AU附近发生汇合,但尚可分辨;相距48°时,在1AU以内有相互作用,但可近似认为是独立传播的;相距72°时,将独立向前传播。2.速眨为2000km/s的两强激波,相距≤48°时,将强烈汇合成一新激波;相距54°时,在1AU附近产生汇合,但尚可分辨;相距72°时,相互作用不足以汇合成新的激波;相距120°时,其传播相互独立地进行。并给出了上述情形下两激波汇合的时间和位置,详细比较了汇合激波与相同能量的单激波的等离子体特性。     

运用一维太阳风MHD CE/SE模型预报行星际激波到达时间

在一维太阳风磁流体(MHD)数值模拟中, 应用时空守恒元和解元(Conservation Element/Solution Element, CE/SE)方法, 建立了一个行星际激波扰动传播模型(1D-MHD (CE/SE)模型), 用来预报行星际激波到达时间. 收集了1997年2月至2002年8月间的137个激波事件, 对激波到达地球轨道附近的传播时间进行了预测, 并将预报结果与STOA, ISPM, HAFv.2以及SPM模型所得结果进行比较. 对于相同的样本事件, 1D-MHD (CE/SE)模型给出的渡越时间平均绝对值误差并不大于其他4个模型, 且该模型预报的相对误差小于10 %的事件占25.6 %, 小于30 %的事件占69.3 %, 小于50 %的事件占87.6 %, 其预报精度与其他模型相比基本相当. 这表明该模型在空间天气的激波到达时间预报方面有潜在的应用价值.     

行星际慢激波的传播和演化

采用二维理想MHD模型,分别在日球赤道面（二维二分量模型）和日球子午面（二维三分量模型）内研究太阳风中慢激波的传播和演化规律。结果表明,慢激波在向外传播的过程中逐渐演化为由原慢激波和新产生的快激波构成的激波系统。该激波系统在子午面内相对慢激波源中心法线基本对称,而在赤道面内则是不对称的:快激波阵面和慢激波阵面之间存在一个切触点,该处两个激波合并,蜕化为气体激波。上述切触点相对激波源中心法线东偏,且东偏角度在激波系统向外传播过程中不断增加。初步分析表明,行星际磁场的螺旋结构是产生日球赤道面内慢激波传播和演化的东西不对称性的主要原因。     

行星际空间MHD模拟激波跃变关系分析

分析了模拟得到的可以传播到1 AU以远的日地空间磁流体力学激波与Rankine-Hug-noniot跃变关系的符合程度.通过对模拟激波的结构及其在传播过程中的演化进行的分析,提出了模拟激波的定位方法;基于所提出的定位方法,利用向长青提出的确定MHD激波局地参数的方法计算了模拟得到的激波与Rankine-Hugnoniot跃变关系的偏差.结果表明在激波传播到100 R_s以后,激波对中前向快激波与Rankine-Hugnoniot关系的符合达到很高的程度,相对误差在10^-2数量级以内;并且在激波传播到150 R_s以后,相对误差在10^-3数量级以内.这个结果说明文中所使用的有限差分数值格式能较好地模拟激波.     

行星际激波的多方指数

从Ｈｅｌｉｏｓ等６个飞船１９７２年至１９８７年的太阳风观测资料找出９８６个行星际快激波，利用ＭＨＤ Ｒａｎｋｉｎｅ－Ｈｕｇｏｎｉｏｔ方程组分析了激波上下游参数关系，确定出每一个激波的最佳多方指数。结果指出，多方指数有一分布，其最可几值约在１．７０－１．７５之间。     

行星际结构与准平行无碰撞激波的相互作用

应用一维混合模拟方法数值研究了高密度等离子体团和行星际激波与准平行无碰撞激波的相互作用．结果表明，由于推平行无碰撞激波上游的大振幅低频波动的散射，除了在通过激波过渡区时稍有压缩外，等离子体团从激波的上游开始就一直是不断弥散的．行星际激波在向准平行无碰撞激波靠近的过程中，会在其上游产生大振幅的低频波动，同时行星际激波的强度不断增加，最后和准平行无碰撞激波会并成一个新的激波，在新激波前继续有大振幅的低频波动产生     

激波在行星际介质中的能量耗散

导出激波下游介质相对上游介质能流通量增量公式,并由HeliosA,B飞船太阳风观测资料得出不同流速太阳风流中各参量随日心距的幂律变化。以此作为背景值分别计算出磁能、内能、动能和总能在不同日心距离处的能量耗散率。结果指出激波后介质以动能增加为主,内能次之,磁能最少;总能耗率在近日处较大,但下降较快。从0.3-1.0AU,不同强度激波总能耗随初始Alfvén激波数A₁₀增大而增大,对A₁₀从2.0-10.0的计算结果与观测值一致。     

1994年2月21日行星际激波引起的磁暴

利用Imp-8,Geotail和Goes-6等卫星资料,研究了1994年2月21日0900UT到达地球磁层的行星际激波引起的磁暴期间,从太阳风向磁层传输能量的有关问题.结果指出:（1）南向行星际磁场（IMF）的长持续时间不是太阳风向磁层输能的必要条件.南北振荡的,较强IMF也能产生显著的能量传输;（2）行星际扰动磁场通过弓激波和磁层顶后扰动磁能增加,增幅将近5倍;（3）在磁层内扰动磁场的Bz分量在1×10-4Hz附近显著被吸收.这一低频扰动磁场可能是磁暴期间导致氧离子和质子等环电流粒子向内扩散并被加速的原因之一.     

强磁场结构在行星际空间膨胀的数值模拟

本文研究了强磁场结构在18—240R_s的行星际空间的膨胀效应。模拟结果表明, 强磁场结构的膨胀能够形成典型的磁云剖面结构;膨胀速度明显依赖于磁场强度的大小;强磁场结构运动的速度直接影响到它的动力学特性。     

行星际结构与垂直无碰撞激波的相互作用

应用一维混合模拟方法数值研究了两种行星际结构──反向磁场和高密度等离子团与垂直无碰撞激波的相互作用．结果表明，随着激波上游区磁场的反向，下游区磁场将逐渐改变符号，且等离子体密度和速度分别呈现较强的湍动．激波上游和下游的物理量依然满足Rankine-Hugonoit关系．当高密度的等离子体团通过垂直无碰撞激波时，部分质子被激波反射，部分质子被加速并进入下游区域．由于质子速度分布为非Maxwell分布，在激波下游也激发出较强的湍动．