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日冕物质抛射(Coronal Mass Ejection,CME)是一种太阳高能事件,以每秒几百到几千公里的速度将质量约1016克物质向外抛射,这种物质抛射事件会导致空间天气扰动,对地面造成很大的影响,包括以下几种:
1.损坏轨道上的人造卫星;
2.地面通讯、导航及电力系统受到干扰;
3.靠近极区飞行航班人员遭受高流量辐射伤害。以上效应的产生相当迅速,因为CME中的粒子从太阳传播至地面只需三天时间。所以,研究CME的机制能预报它的发生从而减低其对地面的伤害。这是空间天气学的一个重要内容。本论文针对CME的机制及其抛射速度的改正做了统计和研究。
论文的第一章统计了CME和耀斑的等待时间,并将二者统计结果作了比对。过去近20年,人们普遍认为CME是由于日冕大尺度的磁场的不稳定性或失去平衡而触发的。除CME之外,太阳耀斑也是太阳激烈活动事件之一。1985年,Dennis采用SMM(Solar Maximum Mission)卫星搜集的近7000个耀斑事件,对其硬X射线资料研究发现太阳耀斑具有一种规律,即耀斑发生频率与其峰值强度之间存在幂率谱的关系,此规律与太阳周期无关。在耀斑发生频率与其峰值强度关系图(取对数标度)上发现幂律谱符合程度可达5个量级。若将日冕磁场视为一复杂系统,Dennis发现的规律可以用自组织临界行为来解释。后来Lu等人(1991)采用Bak的自组织沙堆模型来检验太阳耀斑的辐射能量、峰值流量和持续时间,统计结果发现自组织沙堆模型符合实际观测结果,证明太阳耀斑的发生源于自组织临界行为。Chen等人(2000)经过磁重联模拟认为CME事件与太阳耀斑是源于同一种物理机制的不同表像。我们认为CME事件也可以用自组织行为来解释,并可能与耀斑有密切关联。我们收集了1996年至2001年SOHO(Solar and Heliospheric Observatory)卫星LASCO(Large Angle and SpectrometricCoronagraph)探测器提供的CME资料和GOES(Geosynchronous OperationalEnvironmental Satellite)卫星提供的耀斑软X射线数据,统计其等待时间,发现日冕物质抛射和耀斑两种事件的等待时间都呈幂律谱分布且具有几乎相同的幂律谱指数。从自组织临界行为的观点来看,两种事件极可能出于同一种物理机制。最后我们对1996年至2006年CME和耀斑等待时间做了完整的统计,发现CME和耀斑等待时间分布呈幂律分布,谱指数的确依太阳活动周期而改变;长时段中CME和耀斑的等待时间具有几乎相同的幂律谱指数;但短时段中两者有可能出现不同的谱指数。我们认为原因可能是观测仪器SOHO/LASCO或GOES提供的数据在某些时段有可能不完整。本论文第二章研讨CME的速度改正。过去关于CME的研究由于没有改正投影效应或改正不彻底从而影响了研究结果。投影效应来自观测仪器,因为所有日冕仪记录下来的物质抛射速度均为日冕物质投射在天空平面上的速度。已有不少研究探讨CME速度的改正,但大多数是晕状CME速度的改正。本文所做的速度改正针对的是非晕状CME,原始资料收集自1996年至2003年SOHO/LASCO卫星纪录下来的CME的投影速度。在计算CME的实际抛射速度时,我们发现CME张角宽度的投影效应在计算过程中不容忽视,影响程度随CME源区所在位置的日心角而变,而这一点在过去有关CME速度改正研究工作中没有考虑到。因此,我们改正CME的抛射速度时先改正了CME张角宽度的投影效应,然后再按照改正后CME的张角宽度计算CME的真实速度。运用以上速度改正方法后,我们得到投影改正后平均张角为59° (改正前平均张角为77°),改正后平均速度为792 km s-1(改正前平均速度为549 km s-1)。另外我们用改正后CME速度与太阳软X射线峰值流量做相关统计,发现两者相关性很低。值得一提的是,最近美国Brain Dennis博士等人在其CME速度与GOES太阳软X射线峰值流量关系研究里采用了我们的速度改正方法。