日冕物质抛射的传播效应:行星际磁通量绳与间断面

来源 :中国科学院紫金山天文台 | 被引量 : 0次 | 上传用户:benjaminzsj
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日冕物质抛射(Coronal Mass Ejections,缩写为CME)不仅是最主要的太阳爆发活动,也是影响地球空间环境、导致灾害性空间天气最重要的太阳驱动因素。在这篇博士学位论文中,我们利用Wind卫星等行星际观测资料对CME在行星际传播过程中的磁通量绳结构以及有关的间断面现象,从观测证认方法到尺度与能量分布等方面进行了深入、细致的研究工作,得到的主要研究结果有:(1)发现行星际磁通量绳(Interplanetary Magnetic Flux Rope,缩写为IMFR)的尺度呈现从持续几十分钟到持续几十小时的连续分布,所携带的总能量也具有与太阳耀斑能量分布类似的幂率连续谱;(2)提出了IMFR结构边界与位形的新证认方法—自然坐标系证认方法;(3)利用R-H(Rankine-Hugonio)关系结合多卫星观测资料对不同间断面(切向间断、慢激波和中间激波)的区别与证认进行了深入、细致的研究,并通过具体事件资料分析了可能引起混淆的原因。具体内容有以下几个部分:首先,在第一、二两章中对CME的日冕观测特征、行星际传播特征(特别是它们在行星际传播的磁通量绳结构—IMFR)及其地磁效应等方面的研究现状进行了比较系统、全面的介绍和简要评述。然后,在接下来的第三、四、五章中分别报告了上述三个方面的研究内容。最后,在第六章中对博士学位论文的研究工作及其可能的进一步发展方向进行了简短总结和展望。现将本博士学位论文的主要研究内容摘要如下:   在以往的研究中一般认为行星际存在两类磁通量绳结构。一是持续几十个小时的大尺度磁云,一是只持续几十分钟的小尺度磁通量管。前者已被广泛证实是CME行星际传播的体现,而后者据认为是起源于行星际的磁重联过程。在第三章中,我们系统地检索和分析了Wind卫星1995-2001年的观测资料,从中认证了144个IMFR结构。结果发现它们的持续时间从几十分钟到几十小时呈现连续的尺度分布。特别是,我们进一步分析了这些IMFR所携带的总能量,发现IMFR的能量也呈现连续的幂率谱分布,谱指数为-0.87。对比于太阳耀斑能量的幂率谱分布分布,我们猜测这些IMFR结构有可能都是CME行星际传播的直接体现,只不过是小尺度IMFR对应的低能量CME(如:micro-CME、nano-CME、等)由于太弱而没有被日冕仪观测到。由此可进一步推测CME的爆发能量也可能存在与耀斑类似的连续幂率谱分布,而它们的IMFR和太阳耀斑在幂率谱指数上的系统差别可能是由于它们在行星际传播过程中与背景太阳风的相互作用所造成的。   在IMFR结构的研究中一个重要的问题就是确定它们的磁场位形和边界。在第四章中,我们提出了一个证认和确定IMFR边界和位形的新方法—自然坐标系证认方法。其中,先依据与IMFR结构可能边界附近的间断面建立与IMFR磁场位形尽量吻合的IMFR自然坐标系,然后把实际观测的行星际磁场分量转换到该IMFR自然坐标系里,从而使得在这个IMFR自然坐标系里IMFR的整体磁场位形和结构及其与行星际背景磁场的区别能够十分清晰地辨认出来。这一方法大大提高了IMFR结构证认的准确率和可靠性。和其它证认方法相比,我们的这一方法尤其在那些中、小尺度IMFR结构、以及卫星偏离IMFR轴心较远的IMFR结构的证认上具有十分明显的优势。利用这一方法,我们针对4个观测的IMFR实例进行了对比分析,结果显示其中两个是位于黄道面内的右手螺旋磁通量绳,另外两个是垂直于黄道面的左手螺旋磁通量绳。   CME在行星际空间传播过程中与行星际背景等离子体介质、各种太阳风结构、以及其他CME发生复杂的相互作用,并产生各种行星际磁-等离子体间断面结构,如磁等离子体快、慢激波、中间激波、磁场切向间断(TD)和旋转间断(RD)等。例如,IMFR的边界通常都可以很好地证认为TD。由于不同间断面之间在有限的卫星观测资料证认中存在很大的不确定性,所以在关于间断面的相关研究中对不同种类间断面的认证经常发生很大歧异并引起研究者的争论。例如,在过去在关于间断面的研究中就常常发生把切向间断(TD)误判为旋转间断(RD),甚至把激波误判为RD的情形。在第五章中,我们在利用R-H关系拟合观测磁场和等离子体资料的同时结合多卫星观测资料对TD和慢(或中间)激波间在证认上的不确定性进行了深入细致的讨论。并针对两个通常可能被误判为慢(或中间)激波的间断面明确地证认其在大尺度结构上为TD,而非激波。
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