日冕物質(zhì)拋射(Coronal Mass Ejection,CME)是太陽大氣及行星際空間中大尺度、劇烈爆發(fā)的活動現(xiàn)象,它包含了各種各樣的物理機制與過程。同時,CME是災(zāi)害性空間天氣的主要驅(qū)動源,當(dāng)其與地球接觸時,會產(chǎn)生劇烈的地磁擾動,影響近地空間環(huán)境。因此,CME作為聯(lián)接太陽與地球的一個重要的紐帶,一直以來在空間物理與空間天氣學(xué)中占有重要的地位。本論文主要采用數(shù)值模擬手段,從CME在太陽表面出發(fā),研究CME的爆發(fā)機制-災(zāi)變模型,隨后進入到行星際空間,研究CME的偏轉(zhuǎn)傳播與形變,最后到達地球,研究CME的演化對局地參數(shù)擬合的影響。本文的工作涵蓋了日地(solar-terrestrial)空間環(huán)境,形成了CME的日地因果關(guān)系鏈。論文的具體內(nèi)容包含以下三個方面:1.CME的爆發(fā)機制-災(zāi)變模型的研究災(zāi)變模型被認為是CME的一種爆發(fā)機制。在相關(guān)的研究中,磁能一直以來被認為是災(zāi)變過程的主要供能者,在CME的爆發(fā)中占據(jù)主導(dǎo)作用。然而,對于大尺度的CME結(jié)構(gòu),其他形式的能量的作用也不應(yīng)該被忽略。我們采用二維三分量的磁流體力學(xué)(magnetohydrodynamics,MHD)數(shù)值模擬研究日冕磁繩在太陽風(fēng)背景場中的災(zāi)變問題,并關(guān)注其中不同形式能量的演化過程。我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)磁繩的軸向磁通或者環(huán)向磁通增加,或者質(zhì)量減小時,系統(tǒng)均可以發(fā)生災(zāi)變,災(zāi)變后磁繩向上爆發(fā)。在發(fā)生災(zāi)變后,系統(tǒng)的磁能與磁繩的內(nèi)能減小(對應(yīng)了能量釋放的過程),它們共同作用于磁繩動能與重力勢能的增加,并且貢獻相當(dāng)。此外,我們發(fā)現(xiàn)減小磁繩的軸向磁通也可以觸發(fā)系統(tǒng)的災(zāi)變。而在這樣的災(zāi)變過程中,系統(tǒng)釋放的磁能遠小于磁繩釋放的內(nèi)能;甚至可以存系統(tǒng)磁能在災(zāi)變后較災(zāi)變前增加的情況。這表明了內(nèi)能可以作為主要、甚至是唯一的供能者參與到災(zāi)變過程中。2.CME在行星際空間中的偏轉(zhuǎn)傳播基于遙感與局地儀器的間接觀測,CME在行星際空間中的偏轉(zhuǎn)被認為是影響CME到達地球結(jié)果的一個因素,而這也是空間天氣預(yù)報中的一個重要部分。為了從統(tǒng)計上評估偏轉(zhuǎn)對CME是否到達地球的預(yù)報的影響,我們開發(fā)了一套集成的CME自動預(yù)報系統(tǒng)(integrated CME-arrival forecasting system,iCAF)。該系統(tǒng)包含了CME自動識別,三維參數(shù)擬合及傳播軌跡重構(gòu)三個模塊,可以全自動給出CME能否到達地球的預(yù)報�；趇CAF的測試結(jié)果,我們發(fā)現(xiàn)在考慮了偏轉(zhuǎn)因素后,iCAF對CME的預(yù)報準確率較未考慮偏轉(zhuǎn)的預(yù)報準確率提高了19個百分點,這表明了CME的偏轉(zhuǎn)在空間天氣預(yù)報中的重要性。然而,我們目前始終沒有對CME在行星際空間中、特別是在黃道面內(nèi)發(fā)生偏轉(zhuǎn)的直接觀測證據(jù)。為了從理論上研究該現(xiàn)象,我們開發(fā)了二維三分量的MHD數(shù)值模擬方法以研究CME在日球赤道面內(nèi)的傳播情況。基于數(shù)值模擬的結(jié)果,我們證實了CME在赤道面內(nèi)存在偏轉(zhuǎn),并且該偏轉(zhuǎn)與CME和背景太陽風(fēng)之間的速度差有關(guān)。當(dāng)CME的速度與太陽風(fēng)速度相近時,CME沿徑向傳播而不存在偏轉(zhuǎn);當(dāng)CME速度大于太陽風(fēng)速度時,它會向東偏轉(zhuǎn);反之,CME向西偏轉(zhuǎn);速度差越大,CME的偏轉(zhuǎn)角越大。造成這樣偏轉(zhuǎn)的原因是:快速(慢速)的CME在傳播時,會使與太陽一同自轉(zhuǎn)的行星際空間中的磁場堆積在CME的西側(cè)(東側(cè)),這些堆積的磁場進而推動CME向東(西)偏轉(zhuǎn);堆積的磁場強度與CME和太陽風(fēng)的速度差相關(guān)。我們的模擬結(jié)果支持了CME在行星際空間偏轉(zhuǎn)(CME deflection in the interplanetary space,DIPS)模型所給出的圖像。同時,為了驗證DIPS模型在空間天氣預(yù)報中的有效性,我們將模擬中的CME速度與太陽風(fēng)速度輸入至DIPS模型中以預(yù)測CME的偏轉(zhuǎn)角,并比較了兩者的偏轉(zhuǎn)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)他們有較好的吻合度。我們的數(shù)值模擬為研究CME的偏轉(zhuǎn)問題提供了有力的手段。3.CME的形變與局地磁云參數(shù)擬合CME的形變在空間天氣研究中同樣占有重要的地位。我們通過數(shù)值模擬方法研究CME在日球子午面內(nèi)的形變問題。我們發(fā)現(xiàn)CME在傳播過程中由于與背景太陽風(fēng)發(fā)生相互作用,會在傳播方向上逐漸變得扁平。我們研究了CME在爆發(fā)時的物理特性(對應(yīng)了模擬中磁繩的軸向磁通,環(huán)向磁通和質(zhì)量)對其形變的影響。我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)CME的質(zhì)量增加,或者軸向磁通增加,又或者環(huán)向磁通減小時,CME的形變加劇(即更加扁平);而在環(huán)向磁通較大時,形變程度受參數(shù)的影響大幅減弱。在了解了CME的形變后,我們進一步研究這一現(xiàn)象對局地磁云參數(shù)擬合的影響。磁云是具有規(guī)則磁場的CME在局地的表現(xiàn)。目前,在局地的觀測僅限于一維路徑上的數(shù)據(jù),我們需要借助擬合或者重構(gòu)等手段反演CME在二維乃至三維空間中的信息。因此,擬合結(jié)果的好壞對正確理解磁云的特性十分重要。圓柱形的磁云模型目前是磁云擬合中常用的手段,我們測試了兩種圓柱形模型(分別是線性無力場模型與磁力線均勻扭纏的非線性無力場模型)對形變的磁云的擬合,發(fā)現(xiàn)在擬合結(jié)果中,磁云的軸向磁通被低估,而低估的程度與形變程度有關(guān);但是,形變對于環(huán)向磁通的擬合幾乎沒有影響。此外,通過比較數(shù)值模擬與擬合的結(jié)果,我們發(fā)現(xiàn)擬合的參數(shù)與模擬中磁云的參數(shù)可以存在較大的偏差(盡管擬合優(yōu)度檢驗表明擬合的結(jié)果較好),而這種偏差與采用的擬合模型及飛船穿越磁云的軌跡都有關(guān)系。這些研究對正確解讀實際觀測數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果有著重要意義。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：P353;P182.62
【部分圖文】：

“有兩樣?xùn)|西，我們越經(jīng)常，越持久的加以思索，它們就越使我們的心靈充逡逑滿了始終新鮮不斷增長的敬畏，那就是頭頂?shù)男强蘸托闹械牡赖侣��！卞义弦灰谅瑺枺靠档隆秾嵺`理性批判》逡逑日冕物質(zhì)拋射（Ｃｏｒｏｎａｌ邋Ｍａｓｓ邋Ｅｊｅｃｔｉｏｎ，邋ＣＭＥ），它作為聯(lián)接太陽和地球的一逡逑個重要紐帶，即滿足了我們對星空的幻想，又以它所帶來的空間天氣效應(yīng)讓我們逡逑始終保持敬畏。隨著人類社會的進步與科技的發(fā)展，“空間天氣”這一概念逐漸逡逑進入人們的視野�？臻g天氣指的是日地空間環(huán)境（包括太陽大氣，太陽風(fēng)，行星逡逑際空間，磁場，電離層與熱層等）在短時間內(nèi)的狀態(tài)（Ｐｏｐｐｅｅｔａｌ．，２００６），它與逡逑

們發(fā)現(xiàn)ＣＭＥ出現(xiàn)的頻率與太陽活動密切相關(guān)，從太陽活動低年的約０．２次／天到逡逑太陽活動高年的約３．５次／天（Ｗｅｂｂ邋ｅｔａｌ．，１９９４）。在白光日冕儀的觀測中，ＣＭＥ逡逑通常存在各種各樣的形態(tài)，比如無固定形態(tài)的團狀、窄的類似噴流的結(jié)構(gòu)，或者逡逑是高度結(jié)構(gòu)化的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。而在這些結(jié)構(gòu)當(dāng)中，ＣＭＥ通常具有典型的三分量結(jié)逡逑構(gòu)（Ｇｏｐａｌｓｗａｍｙ，２００６），包含了亮的前沿，暗的空腔以及明亮的內(nèi)核（見圖１．２）。逡逑對于ＣＭＥ在日冕儀中的觀測特征，我們通常用角寬度和速度來描述。根據(jù)統(tǒng)計逡逑的結(jié)果，人們發(fā)現(xiàn)：（ｌ）ＣＭＥ的平均角寬度約為５０°，而當(dāng)ＣＭＥ在日冕儀視野逡逑中角寬度超過１３０°時（Ｈｕｄｓｏｎｅｔａｌ．，１９９８），人們稱之為暈狀（ｈａ丨0－）邋ＣＭＥ；這類逡逑ＣＭＥ通常被認為沿著日地連線方向傳播（Ｈｏｗａｒｄ邋ｅｔａｌ．，１９８２），有時朝向地球，有逡逑３逡逑

具有磁通量繩結(jié)構(gòu)（ｍａｇｎｅｔｉｃ邋ｆｌｕｘ邋ｒｏｐｅ，邋Ｃｈｅｎ邋ｅｔ邋ａｌ．，２００３，１９９７；邋Ｄｅｒｅ邋ｅｔ邋ａｌ．，丨９９９；逡逑Ｆｏｒｂｅｓ，邋２０００；邋Ｖｏｕｒｌｉｄａｓ邋ｅｔ邋ａｌ．，２０１３）。因此，大部分的ＣＭＥ爆發(fā)模型均和磁繩有逡逑關(guān)。磁繩通常被描述為磁場纏繞于一中心軸的類似于流管的結(jié)構(gòu)。圖１．４展示了逡逑５逡逑

【相似文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 觀察者;;美將發(fā)射承受超高溫射探測器[J];科學(xué)大觀園;2017年16期

2 宋麗敏,張軍,楊志良,汪毓明,汪景t;對地日冕物質(zhì)拋射研究[J];天文學(xué)進展;2002年01期

3 章公亮;雙向膨脹日冕物質(zhì)拋射事件[J];空間科學(xué)學(xué)報;1996年01期

4 戴煜,宗位國,唐玉華;對日冕物質(zhì)拋射分類的定量研究[J];天文學(xué)報;2001年04期

5 汪景t;張軍;鄧元勇;李敬群;田莉榮;楊秀蘭;;日冕物質(zhì)拋射的大尺度磁場結(jié)構(gòu)[J];中國科學(xué)(A輯);2001年S1期

6 姚海;尹建芹;林佳本;張玲;王曉帆;;一種端到端的日冕物質(zhì)現(xiàn)象檢測新方法[J];科學(xué)通報;2017年23期

7 ;美國航天局首次捕捉到日冕物質(zhì)拋射畫面[J];黑龍江科技信息;2014年17期

8 王赤，章公亮;環(huán)狀日冕物質(zhì)拋射事件的數(shù)值模擬[J];中國科學(xué)院研究生院學(xué)報;1995年02期

9 王水;日冕物質(zhì)拋射與空間天氣學(xué)[J];中國基礎(chǔ)科學(xué);2000年04期

10 章公亮,王赤;非對稱日冕物質(zhì)拋射的數(shù)值模擬——強磁場驅(qū)動機制[J];中國科學(xué)E輯:技術(shù)科學(xué);1997年01期

相關(guān)會議論文 前10條

1 汪毓明;劉麗娟;申成龍;劉睿;王水;;準同源日冕物質(zhì)拋射的等待時間研究[A];中國空間科學(xué)學(xué)會空間物理學(xué)專業(yè)委員會第十五屆全國日地空間物理學(xué)研討會摘要集[C];2013年

2 申成龍;汪毓明;王水;沈芳;馮學(xué)尚;李剛;;日冕物質(zhì)拋射相互作用及其對空間天氣事件的影響[A];2014年中國地球科學(xué)聯(lián)合學(xué)術(shù)年會——專題29：空間天氣與人類活動論文集[C];2014年

3 莊彬;汪毓明;申成龍;李會民;潘宗浩;;日冕物質(zhì)拋射的自動識別、追蹤[A];2014年中國地球科學(xué)聯(lián)合學(xué)術(shù)年會——專題29：空間天氣與人類活動論文集[C];2014年

4 姜新英;熊東輝;王敬芳;;由熱壓力和磁場共同駁動的日冕物質(zhì)拋射的數(shù)值模擬[A];1996年中國地球物理學(xué)會第十二屆學(xué)術(shù)年會論文集[C];1996年

5 王家龍;王同江;汪景t;N.Nitta;G.L.Slater;T.Kosugi;;1998年5月2日日冕物質(zhì)拋射的質(zhì)量與能量輸出[A];第九屆全國日地空間物理學(xué)術(shù)討論會論文摘要集[C];2000年

6 潘宗浩;申成龍;汪毓明;薛向輝;王水;;日冕物質(zhì)拋射的冰激凌-錐模型可靠性分析及在空間天氣預(yù)報中的應(yīng)用[A];中國空間科學(xué)學(xué)會空間物理學(xué)專業(yè)委員會第十五屆全國日地空間物理學(xué)研討會摘要集[C];2013年

7 遲雨田;申成龍;汪毓明;;1996-2013年行星際日冕物質(zhì)拋射的地磁效應(yīng)統(tǒng)計研究[A];2014年中國地球科學(xué)聯(lián)合學(xué)術(shù)年會——專題29：空間天氣與人類活動論文集[C];2014年

8 潘宗浩;莊彬;;日冕物質(zhì)拋射自動預(yù)報系統(tǒng)的研發(fā)[A];第35屆中國氣象學(xué)會年會 S18 空間天氣觀測與業(yè)務(wù)的融合[C];2018年

9 汪毓明;;日冕物質(zhì)拋射的兩個重要空間天氣效應(yīng):太陽高能粒子事件和地磁暴[A];中國地球物理·2009[C];2009年

10 夏利東;田暉;Scott.W.McIntosh;何建森;;日冕物質(zhì)拋射和極紫外射流的光譜觀測[A];第十四屆全國日地空間物理學(xué)術(shù)研討會論文集[C];2011年

相關(guān)重要報紙文章 前10條

1 本報記者 張雙虎;摸透太陽“暴脾氣”[N];科學(xué)時報;2011年

2 楊保國 記者 吳長鋒;日冕物質(zhì)拋射之間碰撞可能是超彈性碰撞[N];科技日報;2012年

3 記者 桂運安;太陽噴流觸發(fā)日冕物質(zhì)拋射[N];安徽日報;2015年

4 記者 王怡;中外科學(xué)家聯(lián)手解密“完美”太陽風(fēng)暴[N];科技日報;2014年

5 記者　張忠霞;飛船：“追蹤”太陽爆發(fā)[N];人民日報;2006年

6 記者 齊芳;中外科學(xué)家解密“完美太陽風(fēng)暴”[N];光明日報;2014年

7 記者 齊芳;太陽風(fēng)暴有望預(yù)報了[N];光明日報;2013年

8 趙亞輝　王s暾

本文編號：2808810