基于多点遥感与就地观测的太阳高能粒子释放与分布研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心) | 被引量 : 1次 | 上传用户:zhongqiwen
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太阳活动对地球空间环境产生的扰动直接或间接地影响着现代人类活动的各个方面。太阳高能粒子(SEP)事件是太阳爆发期间太阳的能量与物质释放的主要表现形式之一,也是最具破坏性的空间天气效应之一。认识SEP事件的分布特征以及高能粒子的加速、释放与传播机制是空间环境预报的重要课题。本文结合空间中多点卫星的遥感成像与就地观测数据,以具体SEP事件为例,主要研究太阳爆发所产生的大型SEP事件在空间中的传播与分布特征,以及SEP事件中高能粒子在太阳附近的释放与太阳活动所产生的其它物理现象之间的相关性。超级太阳风暴能够产生高能粒子强度非常大并且分布范围很广的大型SEP事件,引发的空间天气效应可对人类社会经济造成严重损失。本文结合STEREO卫星与地球附近多颗卫星的就地观测,以2012年7月23日的超级太阳风暴所伴随的SEP事件为例,通过分析不同卫星观测到的太阳风等离子体与磁场特征。比较高能粒子强度随时间的演化过程以及离子的元素丰度、对比不同时间和空间的高能粒子能谱分布,研究激波加速的高能粒子在空间中的传播与分布特征。该研究结果表明,激波加速的高能粒子在行星际空间的分布范围非常广,其分布范围与激波在空间的扩展范围相关;太阳爆发期间STEREOB观测到的CME与激波来自其它活动区爆发,影响着此次超级太阳风暴所产生的高能粒子的传播与分布;粒子能谱在时间与空间上的演化特征与激波的粒子加速效率及卫星相对于激波的位置等因素相关。该工作对理解大型SEP事件的粒子分布特征以及建立空间环境预报模型具有很重要的指导意义。太阳爆发时高能粒子在太阳附近的释放与EUV波和激波之间的相关性在目前的研究中还存在比较大的争议。2012年1月27日太阳爆发产生的SEP事件伴随有显著的EUV波以及快速CME所驱动的激波。本论文以该事件为例,结合STEREO卫星与地球附近卫星的遥感成像与就地观测,通过计算不同卫星观测到的高能粒子释放时间、追踪EUV波在日冕中的传播、应用椭球型激波模型拟合激波的几何形态,研究高能粒子开始释放时卫星与EUV波以及激波的磁链接情况。结论如下:(1)经度范围相差约108°的STEREO A与地球附近卫星均观测到了激波、CME以及高能粒子强度的上升。STEREO A卫星观测到的高能粒子释放时间晚于地球附近卫星高能粒子释放时间;(2)EUV波从活动区向日冕各个方向传播,传播过程中容易受到冕洞与其它活动区等磁结构的影响而变得弥散。高能粒子释放时EUV波未传播到地球附近卫星或者STEREO A卫星在日面的磁足点位置;(3)地球附近卫星观测的高能粒子的释放时间与卫星的磁力线开始链接到激波的时间一致;STEREOA卫星观测到的高能粒子最早开始释放的时间晚于STEREOA卫星与激波初始形成磁链接的时间。观测卫星与具有有效粒子加速效率的激波部位的磁链接情况对卫星观测到的粒子在太阳附近开始释放的时间有着决定性作用。本工作为高能粒子到达地球的时间预报提供重要理论依据,对空间预报模型的建立有着重要的指导意义。太阳高能粒子地面增强(GLE)事件在太阳活动中发生频次比较低,但可以引发强烈的空间天气效应。本论文以2017年9月10日太阳爆发产生的GLE事件为例,应用模型拟合CME与激波早期结构,研究CME与激波早期运动学特征;结合多点卫星就地观测数据分析高能粒子分布与粒子能谱特征;通过MHD激波模拟结果分析高能粒子释放时的激波特征。本工作结论包括:(1)太阳爆发初期CME与激波的速度呈现出迅速加速至峰值随后慢减速的演化趋势。激波在向外传播过程中膨胀速度占主导;(2)该GLE事件分布范围很广,地球附近卫星与STEREO A卫星均观测到了显著的高能粒子强度增强。地球附近卫星的高能粒子观测未表现出明显的耀斑成分,耀斑磁重联加速的粒子可能并未在地球附近卫星磁力线所链接的区域释放,地球附近卫星观测到的高能粒子可能主要由激波加速;(3)激波早期对粒子的加速可能由多种加速过程共同作用,在很低日冕高度可以将粒子加速到很高的能量。本工作对理解GLE事件的起源有着非常重要的意义。本论文的工作的创新点与特色是:(1)通过前所未有的多点卫星就地观测,分析了高能粒子在空间中的传播与分布以及高能粒子的能谱特征。有助于进一步理解大型SEP事件中的粒子分布特征;(2)通过行星际空间中不同位置卫星的高分辨率遥感成像观测与就地观测相结合,研究了 EUV波在日冕中的传播和激波的运动学特点,揭示了高能粒子释放与其它物理现象的相关性,对空间预报模型的建立有着重要的指导意义。(3)结合多点(遥感成像和就地)观测与激波模拟,研究了高能粒子释放时激波的特征以及与观测卫星的磁链接情况。揭示了激波早期特征对高能粒子释放的影响,对研究激波加速特征有非常重要的意义。
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