【摘要】： 做為災(zāi)害性空間天氣的一種重要起源-日冕物質(zhì)拋射(CME)，一直是空間物理學(xué)家關(guān)注和研究的熱點(diǎn)；另一方面，做為空間天氣的最直接表現(xiàn)的層次-近地空間環(huán)境，隨著地基探測(cè)手段的不斷建立和完善也成為日—地關(guān)系鏈研究中的一個(gè)重要方面。本文主要從空間天氣這因果兩端出發(fā)，對(duì)CME的對(duì)地有效性問(wèn)題，以及近地空間環(huán)境的探測(cè)和動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行了初步的研究。 在CME的對(duì)地有效性方面，主要工作包括： CME冰淇淋錐模型的建立。根據(jù)SOHO／LASCO和SOHO／EIT對(duì)CME的觀測(cè)，我們發(fā)展了CME的三維冰淇淋錐模型。通過(guò)CME在天空平面投影在不同方位角上的時(shí)間-高度關(guān)系來(lái)確定CME投影速度，并且利用日面觀測(cè)資料限定CME的源區(qū)位置，然后通過(guò)假定CME在LASCO觀測(cè)范圍內(nèi)具有定常的速度和角寬度，可以利用模型擬合給出CME的動(dòng)力學(xué)和幾何學(xué)參數(shù)，即速度v、角寬度α和爆發(fā)點(diǎn)位置。 CME對(duì)地有效性-主要影響因素。一般認(rèn)為爆發(fā)點(diǎn)靠近日面中心的向地暈狀CME最具潛在地磁效應(yīng)，我們通過(guò)分析2005年9月7-13日5次主要的CME事件的日面和行星際觀測(cè)資料，發(fā)現(xiàn)爆發(fā)點(diǎn)在E67°的第2個(gè)CME和爆發(fā)點(diǎn)在E47°的第3個(gè)CME到達(dá)了地球位置，而爆發(fā)點(diǎn)在E77°、E39°和E10°的第1、4、5個(gè)CME則錯(cuò)過(guò)或者僅僅擦過(guò)地球。結(jié)合冰淇淋錐模型和CME行星際偏轉(zhuǎn)模型，我們發(fā)現(xiàn)除爆發(fā)點(diǎn)位置外，CME的角寬度和GME在行星際介質(zhì)中的偏轉(zhuǎn)角度也是影響CME對(duì)地有效性的主要因素。較大的張角寬度，使得中間2個(gè)爆發(fā)點(diǎn)位置偏離日面中心的CME到達(dá)了地球位置；第1個(gè)CME雖然有很大的角寬度，但是顯著的偏轉(zhuǎn)效應(yīng)卻使得它偏離了地球，同時(shí)較小的角寬度和偏轉(zhuǎn)效應(yīng)也使爆發(fā)點(diǎn)非常接近日面中心的第5個(gè)CME偏離了地球。因此我們認(rèn)為考察CME對(duì)地有效性時(shí)，要綜合考慮CME的源區(qū)、角寬度和在行星際中的偏轉(zhuǎn)。 CME對(duì)地有效性-特大地磁暴起因。利用ACE和Wind衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)，認(rèn)證了在太陽(yáng)活動(dòng)高年2000-2001年發(fā)生的特大地磁暴的CME源和行星際源，分析了何種CME和其相應(yīng)的行星際結(jié)構(gòu)具有最強(qiáng)的地磁效應(yīng)，以及產(chǎn)生如此顯著對(duì)地有效性的有效機(jī)制。我們發(fā)現(xiàn)在特大地磁暴的形成中，磁云扮演了一個(gè)很重要的角色，同時(shí)還認(rèn)為與特大地磁暴事件相對(duì)應(yīng)的強(qiáng)行星際磁場(chǎng)南向分量B_s的形成，除了2000年7月16日和2000年8月12日這兩次事件，其余的都與磁場(chǎng)壓縮機(jī)制有關(guān)：1)行星際CME(ICME)之間的壓縮，如多重磁云，激波追趕磁云；2)ICME和背景太陽(yáng)風(fēng)介質(zhì)之間的壓縮，如激波壓縮，復(fù)雜拋射高速流壓縮，以及場(chǎng)覆蓋。約有一半的特大地磁暴與連續(xù)CME的活動(dòng)相關(guān)，具有不同拋射速度的CME在行星際空間中傳播時(shí)可能互相追趕、互相作用或者互相溶合，形成不同行星際結(jié)構(gòu)，如多重磁云、激波穿越磁云、或者復(fù)雜拋射物等等。當(dāng)高速的后隨ICME本體或者其驅(qū)動(dòng)的激波追趕上前面相對(duì)較慢速的ICME時(shí)，它會(huì)傳遞很高的動(dòng)力學(xué)壓力，使前導(dǎo)的ICME或者ICME的鞘區(qū)內(nèi)磁場(chǎng)被壓縮，特別是當(dāng)前一個(gè)ICME或者其鞘區(qū)中的磁場(chǎng)是南向的時(shí)候，就可能因壓縮造成ICME更顯著的地磁效應(yīng)，增加了CME對(duì)地的有效性。同時(shí)我們進(jìn)．．步驗(yàn)證了在引起地磁暴的行星際參數(shù)中，-(?)的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于其持續(xù)時(shí)間Δt，說(shuō)明了壓縮后的行星際南向磁場(chǎng)具有更加強(qiáng)烈的地磁效應(yīng)。 在近地空間環(huán)境研究方面，主要工作包括： 激光雷達(dá)對(duì)近地空間環(huán)境的探測(cè)。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)于2005年底建成一部具有雙波長(zhǎng)發(fā)射三通道探測(cè)的激光雷達(dá)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)80-110km高度鈉層密度、30-70km高度大氣溫度和密度、以及近地面至30km高度大氣氣溶膠消光系數(shù)的探測(cè)。我們展開(kāi)了這部激光雷達(dá)的建設(shè)、調(diào)試和觀測(cè)工作。詳細(xì)闡述了該激光雷達(dá)的技術(shù)特征和對(duì)不同大氣參數(shù)探測(cè)的反演算法，特別從熒光激光雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)原理出發(fā)，提出了對(duì)接收系統(tǒng)中發(fā)射光束與接收視場(chǎng)的精確匹配進(jìn)行調(diào)節(jié)的方法、基于系統(tǒng)本身的波長(zhǎng)校正方法。同時(shí)利用激光雷達(dá)對(duì)合肥上空鈉層長(zhǎng)達(dá)1年的探測(cè)數(shù)據(jù)，分析了合肥地區(qū)鈉層的主要形態(tài)特征、夜間變化和季節(jié)變化。夜間觀測(cè)表明鈉層中存在顯著的波動(dòng)擾動(dòng)，并經(jīng)常伴有突發(fā)鈉層事件。合肥鈉層柱密度最小的值1.126×10~9cm~(-2)出現(xiàn)在6月份，最大值6.014×10~9cm~(-2)出現(xiàn)在12月份。在冬季(特別是12月份)柱密度表現(xiàn)出顯著的峰值，而在夏季月份柱密度則表現(xiàn)出相當(dāng)寬廣的極小值；質(zhì)心高度沒(méi)有明顯的季節(jié)變化：RMS寬度則表現(xiàn)出準(zhǔn)半年變化。 流星雷達(dá)對(duì)近地空間環(huán)境的探測(cè)和大氣潮汐模式的研究。利用流星雷達(dá)觀測(cè)，結(jié)合典型相關(guān)分析，對(duì)大氣周日潮汐和半日潮汐的模式進(jìn)行了初步研究。典型相關(guān)分析可以將某個(gè)特定的頻帶(如周日，半日)中存在的多種波動(dòng)結(jié)構(gòu)按照它們的相關(guān)性提取出來(lái)，利用該方法處理武漢流星雷達(dá)2002年一年的觀測(cè)數(shù)據(jù)，我們獲得了武漢上空大氣周日潮汐和半日潮汐的典型相關(guān)模式。對(duì)于周日潮汐共獲得6階有效的潮汐典型相關(guān)模式，攜帶了90％以上的總變差，這些模式與大氣不同的激勵(lì)／調(diào)制源相對(duì)應(yīng)，即周日潮汐的季節(jié)變化(最顯著的模式)、準(zhǔn)半年變化、太陽(yáng)27日周期調(diào)制變化和行星波(～10d，～16d等)調(diào)制變化。通過(guò)分析各階模式的垂直波長(zhǎng)以及水平風(fēng)場(chǎng)的偏振特性，發(fā)現(xiàn)在武漢的周日潮汐風(fēng)中的主導(dǎo)模式是經(jīng)典潮汐模S(1，1)，典型的偏振特性為圓偏振。對(duì)于半日潮汐共獲得4階有效的潮汐典型相關(guān)模式，攜帶了大約2／3的總變差。在半日潮汐模式中沒(méi)有出現(xiàn)準(zhǔn)半年周期變化，第1階典型相關(guān)模式仍然是最顯著的模式，它代表了半日潮汐的季節(jié)變化特征：高階典型相關(guān)模式中也存在～10d，～16d，～27d的調(diào)制周期，分別對(duì)應(yīng)著10日或者16日行星波，以及太陽(yáng)27日活動(dòng)的調(diào)制。
【圖文】：

短時(shí)間尺度上由太陽(yáng)活動(dòng)引起的行星際空問(wèn)、地球磁層、電離層和中高層大氣中出現(xiàn)的可能危害天基和地基技術(shù)系統(tǒng)運(yùn)行和安全、以及人類(lèi)健康的變化稱(chēng)之為空間天氣 (SpaceWeather)，一個(gè)完整的空間天氣過(guò)程由圖1.1給出�？臻g天氣學(xué)就是研究空間天氣變化的起源和規(guī)律、并做出預(yù)報(bào)的一門(mén)學(xué)科。它是一個(gè)涉及太陽(yáng)物理、行星際物理、磁層物理、電離層物理、中高層大氣物理等多學(xué)科交叉的重大前沿科學(xué)領(lǐng)域，，其基本科學(xué)目標(biāo)，是把太陽(yáng)大氣、行星際空間和地球的磁層、電離層和中高層大氣作為一個(gè)有機(jī)系統(tǒng)，按空間災(zāi)害性天氣事件過(guò)程的時(shí)序因果鏈關(guān)系配置空間、地面的監(jiān)測(cè)體系，了解空間災(zāi)害性天氣過(guò)程的變化規(guī)律�？臻g天氣的源頭是太陽(yáng)。太陽(yáng)是一個(gè)劇烈活動(dòng)的天體，與日地空間環(huán)境關(guān)系較密切的太陽(yáng)結(jié)構(gòu)和活動(dòng)現(xiàn)象有:太陽(yáng)磁場(chǎng)、黑子、耀斑、冕洞、暗條、日冕物質(zhì)拋射等。其中日冕物質(zhì)拋射(CME)是與空間擾動(dòng)關(guān)系最密切的太陽(yáng)事件，一次CME事件拋出的太陽(yáng)物質(zhì)可達(dá)1014一101館，能量可達(dá)1022一102“J。在太陽(yáng)活動(dòng)高年

圖1.2有著三分量結(jié)構(gòu)的典型CME。物質(zhì)拋射及其相關(guān)的行星際結(jié)構(gòu)物質(zhì)拋射及其觀測(cè)拋射(CME)是太陽(yáng)大氣中一種頻繁發(fā)生的爆發(fā)現(xiàn)間尺度內(nèi)日冕結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化并伴有可觀測(cè)的物，050一7衛(wèi)星上的日冕儀首次證實(shí)太陽(yáng)大氣物質(zhì)P78一1、S入I入I、ISEE3、OHO、Uly:*;:s、叭廠l，ld、Helio:等衛(wèi)星和飛船匕的日冕儀ACE等衛(wèi)星上的儀器設(shè)備取得了去人們認(rèn)為太陽(yáng)耀斑與地磁暴的產(chǎn)生有著密切聯(lián)系，而
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2007
【分類(lèi)號(hào)】：P182.6;P353.7

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本文編號(hào)：2673298