（空间物理学专业论文）冕洞与重现型地磁暴特性分析研究.pdf

摘要 摘要 地磁暴是一种与太阳活动相关联的、重要的地球物理现象之一。由于地磁 暴可能影响到天基的和地基的技术系统的运行和可靠性，引发卫星运行、通讯、 导航、输电网的事故，造成社会经济损失，因此它又是一种重要的空间灾害性 天气事件。随着国家航天事业和高技术的不断发展，对空间环境的依赖越来越 大，空间灾害性事件对技术系统的危害也越来越大。了解地磁暴形成原因及特 性，进而达到预测地磁暴的发生，对有效避免和减轻地磁暴的影响具有非常重 要的意义。 作者所在的空间环境预报中心为我国载人航天空间环境安全保障任务的承 担单位。本文在第二章中介绍了作者与中心其他同志在“神舟5 号”安全期预 报中地磁活动预报方面的部分工作。由于2 0 0 3 年处于太阳活动下降年，太阳爆 发活动频次减小，地磁活动主要以重现型地磁暴占主导。结合工作需要我们重 点对冕洞、重现型地磁暴以及它们之间的关系进行了较详细的研究，并将研究 结果应用于实际预报中。 本文对冕洞和重现型地磁暴的特性、相关关系，以及重现型地磁暴的预报 等方面进行了分析和研究，全文共分四章。 第一章简要介绍了冕洞、太阳风和重现型地磁暴的基本知识。如太阳风中 流与流的相互作用、共转相互作用区的结构、重现型地磁暴的形成机制，以及 与冕洞的关系等。 第二章主要针对冕洞与重现型地磁暴的关系进行了研究。以单个冕洞为研 究对象，分析了该冕洞及其引发的地磁暴特征。结果发现，第一，该冕洞的发 展经历了生长期、成熟期和衰减期三个阶段。在冕洞的成熟期，太阳风高速流 的最大速度和对地磁活动的平均影响程度基本维持在稳定的水平上。第二，在 冕洞成熟期，地磁暴的持续时间和冕洞高速流的持续时间相关联；并且随着冕 洞形态的演化而有较大的变化。持续时间的长短与冕洞穿越太阳赤道部分所横 跨的经度呈正比例。 冕洞与重现型地磁暴特性分析研究 第三章研究了重现型地磁暴的统计特性，利用了似稳共转扰动结构的形态 理论，对太阳活动奇数周( 1 7 、1 9 和2 1 ) 以及本周( 2 3 周) 的共转扰动结构 进行了分析。结果发现，第1 7 、1 9 和2 l 周似稳共转扰动结构的形态与前辈得 出的结果一致，为“w ”形；但是第2 3 周下降期的似稳共转扰动结构的形态并 未出现“w ”，而是出现了类似于偶数周的“m ”形。 在本文的最后一章，介绍了利用三维运动学模式对共转高速流进行模拟计 算，进而对重现型地磁暴进行粗略预测的些初步工作结果。通过模拟无太阳 扰动事件情况下的共转高速流及行星际扇形结构，可以初步预测可能的共转激 波到达1 a u 的时阃。通过将模拟结果和观测结果比较，基本趋势和到达时间与 现实观测结果具有一定可比性。这说明利用该模式来开展共转激波以及重现型 地磁暴到达时间的预报具有一定的可行性。 关键词：冕洞，重现型地磁暴 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ec h a r a c t e r i s t i ca n a l y s e so nt h ec o r o n a lh o l ea n dt h er e c u r r e n t g e o m a g n e t i cs t r o m m a d o n g l a n ( s p a c ep h y s i c s ) d i r e c t e db yg o n gj i a n c u na n dl i us i q i n g g e o m a g n e t i cs t r o m i st h eo n eo fg e o p h y s i c a lp h e n o m e n aa n di ti si m p o r t a n t a n dr e l a t e dw i t ht h es o l a ra c t i v i t i e s i tc a ni n f l u e n c et h ep e r f o r m a n c ea n dr e l i a b i l i t y o f s p a c e - b o m e a n dg r o u n d - b a s e d t e c h n o l o g i c a ls y s t e m s a n dc a l l d e s t r o yt h e s a t e l l a t e s w o r k ，c o m m u n i c a t i o n ，n a v i g a t i o n ，t r a n s m i te l e c t r i c i t ya n dc a u s et h eh u g e e c o n o m i cl o s s ，s oi ti sa ni m p o r t a n tc a t a s t r o p h i cs p a c ew e a t h e re v e n t a sn a t i o n a l s p a c ep r o j e c t sa n dh i g hs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yd e v e l o pc o n s t a n t l y , t h ed e p e n d e n c e o ns p a c ee n t i r o n m e n ta n dt h ee n d a n g e r m e n tt h a ts p a c ec a t a s t r o p h i ce v e n tb r i n gt o t h et e c h n i cs y s t e m sw i l lb ei n c r e a s e d r e a l i z i n gt h ef o r m i n gm e c h a n i s ma n dt h e s p e c i a l i t yo fg e o m a g n e t i cs t r o m ，e v e np r e d i c t i n gt h et i m ew h e ni tw i l lt a k ep l a c e 。 w h i c hh a v ei m p o r t a n ts i g n i f i c a t i o n st oa v i o do ra l l e v i a t et h ee f f e c t so fi t 1w o r ki nt h es p a c ee n t i r o n m e n tp r e d i c t i o nc e n t e r i t st h ei n s t i t u t i o nt h a t a s s u m e so u rn a t i o a n lm a n n e ds p a c e f l i g h ts p a c ew e a t h e rs e c u r i t yt a s k 1w i l l i n t r o d u c et h ep a r tw o r ko fm yw o r k m a t e sa n dm ea b o u tt h eg e o m a g n e t i ca c t i v i t i e s a s p e c ti nt h es a f e t yp e r i o do f “s h e n z h o un o 5 ”i nt h i sp a p e r 2 t h ey e a ro f2 0 0 3 i si nt h ed e c l i n i n gp h a s eo fc y t e r2 3a n dt h ef r e q u e n c yo ft h es o l a r - e r u p t i o ni sl o w ，s o t h er e c u r r e n tg e o m a g n e t i cs t r o mi sd o m i n a n ti n a l lt h eg e o m a g n e t i ca c t i v i t i e s l i n k i n gt h en e e d s o ft h ew o r k ，w ep u tt h ee m p h a s e su p o nt h er e s e a r c ho nt h ec o r o n a l h o l ea n dt h er e c u r r e n tg e o m a g n e t i cs t r o ma n dt h e i rr e l a t i o n sa n da p p l yt h e s et h e o r i e s t ot h ep r a c t i c a lp r e d i c t i o n t h i sp a p e rc o n s i s t so ff o u rc h a p t e r s t h em a i nr e s e a r c hi so nt h ec o r o n a lh o l e ， h i t h er e c u r r e n tg e o m a g n e f i cs t r o m ，t h e i rr e l a t i o n sa n dt h ep r e d i c t i o no ft h er e c u t t e n t g e o m a g n e t i cs t r o m i ti n c l u d e s t h ec h a p t e r1i sa b o u tt h eb a s i ck n o w l e d g ea b o u tt h ec o r o n a lh o l e ，t h es o l a r w i n da n dt h er e c u r r e n tg e o m a g n e t i cs t r o m 。t h em a i nc o n t e n t so ft h ec h a p t e r2 i st h e r e s e a r c hw o r ko nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec o r o n a lh o l ea n dt h er e c u r r e n t g e o m a g n e t i cs t r o m t h ec h a p t e r3i sa b o u tt h es t a t i s t i c a lp r o p e n yo ft h er e c u r r e n t g e o m a g n e t i cs t r o mi nt h eo d dc y c l e s i nt h el a s tc h a p t e r , ii n t r o d u c et h er e s u l t st h a t w eu s e d3 - dk i n e m a t i c sm o d et os i m u l a t et h ec o r o t a t i n gs t r e a m s 。 k e yw o r d s ：c o r o n a lh o l e ，r e c u r r e n tg e o m a g n e t i cs t r o m 。 第一章引言 1 。1 冕洞 目冕是色球层之外的太阳大气，起始于针状物之间的区域，向外一直伸展 到行星际空间中去，形成连续向外流动的太阳风。太阳风粒子携带着磁场，并 把磁场运送到行星际空问，形成行星际磁场。因此，曰冕是太阳大气中与行星 际空间关系最为密切的一层，可以说日冕的性质决定了行星际空间的性质。 在宁静太阳x 射线日冕照片中有一些暗的区域，看上去就象洞一样，称为 冕洞。冕洞是f 1 冕中一些低温低密度区域。从对日冕的远紫外线辐射和射电厘 米波辐射的观测中也能辨认出来。下图所示的例子为( 图1 卜1 ) 通过软x 射 线望远镜观测到的冕涮，其中白色的曲线标记的是由软射线密度决定的冕洞 边缘。 幽1i - 1 日本y o h k o h 卫星通过软x 射线望远镜观测到的冕洞演化过程。其中向色曲线显 示的为由软x 射线密度确定的冕洞边缘( 引臼s w a t a r i ，1 9 9 7 ) f i g l1 e v o l u t i o no fc o r o n a lh o l e so b s e r v e db yt h es o f tx - r a yt e l e s c o p e ( s x t ) o db o a r dt h e j a p a n e s ey o h k o hs a t e l l i t e t h ew h i t ec u r v e si nt h ef i g u r es h o wt h eb o u n d a r i e so ft h e c o r o n a lh o l e sd e t e m f i n e db ys o f tx r a yi n t e n s i t y 冕洞与重现型地磁鬃特性分桥研究 b o h l i n 1 9 7 6 ) 朔z i r k e r ( 1 9 7 7 ) 辩冕澜的特点散了总结，己经观测到的 冕洞的特点如下： t 。冕洞所脊的辐射都比宁静醚冕辐射的强度弱，简单解释是因为冕漏 懿电子密度低，滋痰毽低。m a r i s k a ( 1 9 7 6 ) 年分撰了天黧爽验室怼o v i ， n e w ，a l e ，s i ) ( 1 l 线通量的测量数据，在日面底鄢处予流体平衡态的骰设 下，得到在冕洞中1 0 3 太阳半径处电子密度为2 1 0 8 藤米，至少是周围 密度驰1 l o ，溢魔约为1 1 0 6k ，温度梯度也是宁静太阳滠度梯度的1 l o 。 2 。冕漏覆藏瓣蘑积窝寿会：在天察实验室飞行蘩阂( 1 9 7 3 年5 秀一1 9 7 4 年2 月) ，大约2 0 的日面面积被冕洞覆盖，1 5 是极区冕洞，2 5 是低 纬( 纬度低于6 0 魔) 冕洞。天空实骏窳观测到的9 个冕涧( 除去永久的极 蔑冕洞) 的大致寿命为：两个冕洞寿螽怒过3 个太阳自转周，皤个寿命超 _ l 建5 令太鞫自蹬瀚，三令寿余超过l 个或更长。冕漏楚太藤主寿套最长翡 现象之一，一般超过几个太阳自转瑚，它与极冕丑珥( 寿命为6 7 个太阳 自转周) 、大尺度磁场区域( 寿命最多为1 0 个太阳自转闵) 和重现型地磁 暴( 寿命为5 1 2 个太阳自转周) 等现象都是相关的。 3 冕滚豹整转：嚣溺没毒较差舞转( 太鬻鐾覆熬不弱部缱鞋不同转速 运动) ，自转周期随纬度只有很小的变他，会合周期( 相对予地球确定的太 阳自转周期) 为2 7 天，这与大尺度磁场的自转周期是一样的。t i m o t h y 等 人( 1 9 7 5 ) 研究了天空实验室看到的一个南北向冕洞自转的情况，从观测 圈可戳看出，冕濑象是一个旋转着熬溅髂。 4 冕漏的磁场：冕洞只发生在大尺度的单稷磁场送域，包括极盖区的 单极磁场区域，但不一定所有的单极磁场区域都有冕洞。熙洞是同开磁力 线区域相联系的，如果日面上磁反向线之间的角距离足够大( 如3 0 度) ， 饿嬲之阕可能形成髭漏：毽是。如巢擎投磁场区域太小，灏蠢豹磁逶量郄 被两逮稳反豹磁搦隰域所平鬻魏不会形成冕漏。 第一露$ l 寓 1 2 太阳风 太阳风是由于日掇膨胀而形成的由太阳向外发出的充满行星际空间的等离 子体流。在太阳风被卷羧深测至之前，它鼢存在藏被理论所颈京，僵是并不被 久稍簧遮接受。六十举代初遽李亍麴一系戮豹空闺搽测证实确实存在连续翡超声 速豹太阳风。进一步的探测给出了太阳风的空间变化，时间变化和太阳风结构 的主耍特征。初期关于太阳风的理论工作限于讨论球对称经热热导供能的情况， 这然工作虽然能解释低速太阳风流的基本特征，但是不能在强冕底部温度和密 爱溅溅数篷戆疆毒l 下，筋释在i a u 鼹测翻懿意速滚嚣基本褥缀。七卡毒鼗耱天 空实验室的观测发现了太阳冕洞和冕洞与离速流的相关关系，这使得关于太阳 风幼力过程的理论研究进入了新的阶段。 1 2 1 太阳风高速流 由等离子体探测器测量到的单位电荷髓谱的分布可以求出太阳风等离子体 整体的速度。太阳风遽度对平均值的偏离嫩是很大的，在地球轨道附近经常观 测到速度较高的高速流，约在两天的时间内流速由小于4 0 0 公熙秒上升到8 0 0 公鬃秒，持续足天露缓经下簿( 是蚕1 2 - 1 ) 。 ，、 塞 装 v 蜊 卿 匠 臣 彩 日期2 0 0 3 年 图1 2 - l2 0 0 3 年7 - - 8 用间在地球轨道附j 垃观测到的太阳风速度的5 分钟平均值 冕澜与重现型地磁黎特性分辑研究 在太阳风速度舞离时也观测到质子漱度升高，但电子激发却变化很小。太 阳风的数密度和磁场强度在高速流的前边缘上升到很高的数值，其后下降到很 低的数值，并延续几天。观测数据还表明高速流是和低密度相关的，而低速流 楚和舞密度襁关数。 f e l d m a n 等入( 1 9 7 6 b ) 研究了t 9 7 1 肇至1 9 7 4 年鼹测到的高速流。他校据 下腼的判据挑选高速流： ( 1 ) 流速至少连续三小时超过6 5 0 公羼秒。 2 ) 蔽据滤速菠攘薤太辍2 0 令拳经楚流瓣宽度踅：遘4 5 痰( 蕊滚速最大袋 的一半来确定。 ( 3 ) 高速流没有明昆的受到太阳活动的影响。 ( 垂) 不包含明显与太粥耀斑相对应的离遮等离子体。 对予所有1 9 个满怒这些条件匏高速流在速度大予6 5 0 公隰移的时淘范爨 进行平均( 除去流速最大值后边的一段时间，以消除流与流榴甄作用的效应。) 得出在1 a u 处的平均特性，见表1 2 - 1 。 最大速浚7 4 1 4 9 公里，移 最大值宽度( 在2 0 太阳半径)8 9 4 3 4 。 质子温度( 2 3 0 9 ) 1 0 5k 电子激发( o 。9 9 0 8 ) 1 0 5k 矮子对浚烩逶量( 2 毒) x1 0 。容臻( 蓬寒2 幸移) 电子热流通量( 2 8 + 0 9 ) 1 0 。尔格( 厘米2 $ 秽) 质子通鼹( 3 3 o 5 ) 1 0 8 厘米。2 十秒1 对流能通凝( 2 4 o 。4 ) 尔格( 厘米2 $ 秒) ( 雹螽反撬太鬻鬟力繇骰功) a l f v e n 渡熊流通量( 1 1 6 - - + 4 。7 ) 1 0 。尔格( 蓬米2 车秒) 表1 2 _ 1 高速流的平均特性 出表1 2 - 1 看到高速流的特征是速度巅、粒子通量高，还肖高的对流能邋 第一章 l 宙 鬣，质子温度离于电子温度，质子对流燔通壁跣径商电子传撼热流通量大一个 量级，比导出的a 1 f v e n 波能流通量大2 储，章公量等( 1 9 8 5 ) 发现高速流的声 速以及各种压力动能都比低速流高，而高速流的马赫数反比低速流的低。 1 2 2 太陵菇串流岛滚麓耱互终雳 无论是快速还是慢速太阳风都源于太阳，虽然太阳风从太阳几乎径向流出， 倦怒由于太阳旋转，使“冻结”在内的磁力线变成螺旋形。如图( 图1 2 - 2 ) 联示： 圈l 。2 - 2 鳔靛影行麓舔磁场磁力线在太鞭蠢道乎嚣翦形式( g | 叠f a r k e r ，1 9 6 3 ) 相应予3 0 0 i c e s 的太阳风速度 由于不同日面经殿上日冕的膨胀速度不同，以及太阳自转等原因，从太阳 赤道区域不圈经度上发蹬的太阳风流与浚之闻会发生相互作用。h u n d h a u s e n ( 9 7 2 ) ，b u r l a g a ( 1 9 7 5 ) ，s m i t h 帮w o i f e ( 1 9 7 7 ) 等鄙薄太鞠菇浚与滚豹稳 甄作用问题作了详细研究。假设在以2 3 个太阳半径为半径的球面的赤道上由 一个窄的经度范围( 相对于伸展到赤道的冕洞) 发出的太阳风有较高的速度。 而由所有其他经度范围发出的太阳风具裔较低而均匀的速度，假定在静止的参 考聚餐，在基冕某个麓发苏主太鬻熙速浚怒经蠢戆。毽莛，麓速滚夔嚣是蘧蓍 太阳自转的，这样太翮风高速流将在行爨际空间占据一螺旋援的区域 1 0 ”尔格秒时，磁暴就发生了。 低纬高速流是把太阳活动与地磁活动联系起来的纽带。由于在1 a u 与高速流相 冕洞与重现型地磁暴特性分析研究 联系的共转激波还未形成，所以与高速流相关的地磁活动通常表现为缓始型的 地磁暴。由于高速流与电流片都是与太阳共转的，所以地磁活动与电流片扫过 地球的时间是相关的。图1 3 - 2 给出了表示这一系列过程的方框图。 图1 3 2 重现型磁暴形成机制示意方框图( 引自a k a s o f u ，1 9 8 0 ) 1 3 4 重现型地磁暴与冕洞 在过去的二十几年里，许多重要的卫星观测为重现型地磁暴和高速流的源 区增加了很多见解。一些早期对i m f 的观测显示，重现型地磁暴的开始以所谓 的“电流片边界”( w i i c o xa n dn e s s ，1 9 6 5 ) 为标志。s c h u l t z ( 1 9 7 5 ) 和s a i t o ( 1 9 7 5 ) 解释，“电流片边界”实际上是指一个波动的日球层电流片与黄道面的 交界( 也就是我们通常指的扇形边界) 。k r i e g e r e t a 1 ( 1 9 7 3 ) 说，冕洞是高 速流的源区，而n e u p e r t 和p i z z o ( 1 9 7 4 ) 确定冕洞就是b a r t e l s 所说的m 区。 同时，h a k a m a d a 和a k a s o f u ( 1 9 8 1 ) 指出，如果太阳风速度在所谓的“源表面” 分布为沿中性线最小、并且随着纬度的升高而增加的话，那么太阳风速度有2 7 天的变化就可以被解释了。他们的结论在以后的研究中被证实了( z h a oa n d h u n d h a u s e n ，1 9 8 3 ；f r ya n da k a s o f u ，1 9 8 7 ) 。这里，源表面是一个2 5 个太阳 半径处的假想的表面。源表面磁场的分布，由观测的光球磁场得出。通过一个 第一章l 富 势场模型，并且假定磁力线都是径向的幽源表面发出的方法。( a l t s c h u l ea n d n e w k i r k ，1 9 6 9 ：s c h a t t e ne ta 1 ，1 9 6 9 ：h o e k s e m ae ta 1 ，1 9 8 2 ) 。 根据一些宇宙飞船观测得出的结果( n e u p e r ta n dp i z z o ，1 9 7 4 ；t i m o t h ye t a 1 ，1 9 7 6 ；b o h l i na n ds h e e l e y ，1 9 7 8 ；b r o u s s a r de ta 1 ，1 9 7 8 ；s h e e l e ye t a 1 ，1 9 7 6 ) ，现在，入们普遍接受了这样一个观点，即这些2 7 天的重现型遗磁 扰渤与从冕洞喷出的太阳风高速流和持续的慢太阳风形成的棚甄作用区( c i r s ) 有关。 逶寒，l i n d s a ye 专8 l 。，舔究了太鬻藏参数夔绫诗学，邋过p i o n e e rv e n u s o r b i t e r ( p v o ) 在1 9 7 9 年到1 9 8 8 年对c m e s 和c i r s 魏蕊察，他们发现这样几 个产生地磁暴的因素：c i r s 和c m e s 比普懑的i m f 产生更犬的磁场；c l r s 通常 伴随着i m f 的北一南分辍( b z ) 的大振幅波动：由于c i r s 的瀚速度、高密度的 特点，它魄c m e s 产生更大黥动压。校擐t s u r u t a n ie ta l ，( 1 9 9 5 a ，a n d r e f e r e n c e st h e r e i n ) 豹解释，i m f 渡霸豹港秀羁是垂予共转流孛豹大振福黪 a l f v e n 波。u l y s s e s 卫撼的确也观察到高速流中的大振幅的i m f 波动( t s u r u t a n i e ta 1 ，1 9 9 5 b ) 。关于c i r s 在地磁扰动上的影响方面已经做过了很多的研究。 然丽，跟随着c l r s 的商速流区对地磁扰动的影响，在以前遥没有完全的考察。 s w a t a r i 对1 9 9 3 冬1 2 嚣至l1 9 9 4 冬6 旁阕长露阉静重现囊遮磁暴遗孝亍了 研究。在此研究中d s t 指数被用来作为嫩磁扰动的指示器。这个指数是地磁场 变化的量度。分析结果表明，这些扰动和一个发展很好的南部冕洞有关。在这 段时期，重现型冕洞与翘过7 0 0 ( i i l s 的离迭太阳风流紧密联系。然丽，在每个 囊转蠲，建磁魏动熬大，j 、霹持续熬嚣瘸楚苓蕊煞。霹霹还发瑷了在鼹夔着c i r s 爝的高速流区域，地磁扰动的状况是持续的。高速流有潜能维持地磁扰动的状 态。除了速度以外，d 8 t 指数和太阳风参数之间的关系很小( 小于0 5 ) 。由于 压缩的原因，在c i r s 中，n 、l b l 、m z 2 1 8 i 的偏差都比较犬( l i n d s a ye ta 1 ， 1 9 9 5 ) 。在c i r s 中，d s t 撵数与动垂蠢饕穰努弱鞠美蛙。这怒怼冕潺揆牲豹弱 静泽节效应和地磁扰动之间关系的解释( j o s e l y n ，1 9 9 5 ) 。程h s r s 。蠡然扶总髂趋势皋凑，影响对闯长瓣壤掇主要存在予冕 澜发展的成熟期。生长期和衰减期的磁挠弱天数相对都院较小。但是，在成熟 期内磁扰日天数有较大麓异，影响时间缀的只有3 天，影响时问长可以达到1 0 天。 矿矿矿矿矿蒜蠓吃或扩矿矿矿 图2 1 - 3 “l 号冕洞”影响地磁扰动日随卡林顿周变化图 冕洞对地磁扰动时间的长短取决于冕洞穿越太阳赤道部分所横跨的经度。 第二章冕洞与擞现型避磁暴 嚣濑跨越鸵经度大，影晌地磁的时闻长；褶反，冕漏跨越的缀发小，对地磁影 响的时间短。成熟期照洞对地磁扰动影响时间的较大差异，说明冕洞在成熟期 内形态仍有较大变化的可能性。 童良上努辑霹燹：蔫宠冕溺叁赛存簌一个发震、纛熬耧衰减貔过程；在袭 熟期内，冕漏自身存焱一定的稳定特性，这样就使得冕洞；i 寸玩磁扰动静强度基 本维持在一个较为稳定的水平上；但在成熟期，冕洞对地磁活动影响的时间长 短仍有较大差异，这说明冕洞在成熟期形态仍可能有大的变化。 2 1 。3 “1 号冕溺”对太藤嚣、行星际磁场酶影嚷 冕洞对地磁活动的影响是通过太阳风和行星际磁场作用予地磁场而产生 的。因此，太阳风、行星际磁场是太阳活幼影响地球磁场的筮溪纽带。研究冕 溺对太冁风、行星瓣磁场鳃影赡，对分橱预测冕漏对她磁活动影响是菲豢重要 熬。遁过对“1 号嚣溺”辩太辍疑、毒亍薰舔影稠静分拆发现：在冕满毫速流中， 一般都具有稳定相似的等离子体结构和磁场结构。特别是在冕洞成熟期所发出 的摄洞高速流中。 首先我髓殴“1 譬爨漏”在2 0 0 3 年9 露( c r 2 0 0 7 ) 联发出的太阳风高速流 为穰，寒分季厅一下凳濑舞速漉懿特征。鬻2 。卜4 嚣窭了冕溺赢滚滚在1 a u 憝太 阳风速度、密度，行艨际磁场总量、b z 分爨和行星际磁场m 角的变化，以及对 地磁k p 指数和y 孟r p 的影响。图中第1 天从冕洞高速流到达l a u 开始算起。冕 澜麓速流到达有几个明驻豹标志：一是行簇际磁场夺角有大终1 8 0 。静突然变化， 这袭筏冤溺衰速流一般娃予一令单独熬磁激，与周围磁瑟爱蠢。进入囊漏瘸嚣 后，首先经历的是一个商密度、强磁场区，该区为高速流与低速流相互作用区 ( 帮1 天) ，与之相对威的太阳风速度呈缓慢上升趋势。当太阳风速度由4 0 0 k m s 到8 0 0 k m s ( 第2 天) ，即进入冕洞高速瀛聪，等离子密度和行缀际磁场都下降 至爨拳乎。在建磊戆冗天内太羯嚣速度缝黪在7 0 0 嚣影s 滋生，溪密震霸磁矮整 都非常地。因此，冕洞嬲速流区为高速澄、低密度和低磁场联。 冕洞与重现型地磁暴特性分析研究 图2 1 4 第2 0 0 7 周冕洞高速流情况及地磁影响 通过对冕洞高速流剖面结构与地磁k p 指数和 ，p 指数的比较可以看出： 冕洞对地磁活动的影响从密度、磁场增加的地方开始的，即在相互作用区开始 的，影响最大的在冕洞高速流的头部( 即第2 天太阳风速度由4 0 0 m m s 迅速增 长至8 0 0 k m s ) 。在随后的几天内，地磁扰动随高速太阳风的持续而维持，并随 太阳风速度的缓慢下降而逐渐衰退。 在冕洞成熟区，冕洞高速流的这种结构基本上是相似稳定的。都具有与 c r 2 0 0 7 类似的结构特征，并且高速流中最高太阳风速度变化不大，基本在 8 0 0 5 0 k m 范围内浮动。地磁扰动也基本与太阳风速度大小呈正比例( 见图 2 卜5 a 、图2 卜5 b ) 。但由于冕洞自身形态仍存在一定的变化，它对1 a u 处太 阳风和行星际磁场的影响也会有所不同。这突出表现在太阳风高速流的持续时 间的长短上，而对于等离子体密度和行星际磁场则没有太大的差别( 见图5 c 、 5 d ) 。从图5 a 、图5 b 的比较可以看出，高速流持续时间的长短与冕洞地磁活动 影响时间的长短有非常密切的关系。 第二章冕洞与重现型地磁暴 ( a ) ( e ) ( b ) d ) 圈2 1 5 冕洞发展到成熟期，受冕洞影响时间内i a u 处太阳风速度( a ) 、地磁指数k p 的变 傀 b ) 、行鬃瓣南囱分鼙b z 秘交纯( c ) ，激及密浚静交纯( 国 * 2 3 - 冕漏与薰躐墼i 蘸暴特性分辑婿览 2 1 4 结果与讨论 通过对“1 号冕洞”的演化规律以及对太阳风行星际磁场和地磁活动影响 的分析研究。发现：第一，冕洞发展经历了生长期、成熟期和衰减期三个阶段； 不同阶段，具有不同特征。在冕洞的成熟期，太阳风高速流的最大速度和对地 磁活动的平均影响程度基本维持在稳定的水平上，即冕洞高速流中的最大太阳 风速度和相应地磁暴中的k p 和( k p ) 一指数值变化不大。第二，在冕洞成 熟期，地磁暴的持续时间和冕洞高速流的持续时间相关联；并且随着冕洞形态 的演化而有较大的变化。持续时间的长短与冕洞穿越太阳赤道部分所横跨的经 度呈正比例。该结果与过去研究工作的结论基本上是一致的。 这两个研究结果对于重现型地磁暴的预测有重要的指导意义。首先，在冕 洞的成熟期，冕洞高速流对地磁扰动的影响强度没有太大变化；其次，冕洞可 能影响地磁活动的时间长短可以通过对太阳冕洞的观测来进行预测。 不过，目前我们关于冕洞和重现型地磁暴研究的工作还只是第一步。以上 结果还只是通过一个特殊的个例得出来的，还需要通过更多的事例来加以印证。 另外，关于冕洞对地磁活动影响时间长短与冕洞穿越太阳赤道所横跨经度的比 例关系，还只是一种定性的结论，还需要进一步进行定量的计算分析。 2 2 利用冕洞预测重现型地磁暴的应用实例 本节介绍在“神舟五号”飞船安全期预报中对地磁活动水平的预报工作。 从这一工作中可以看到冕洞特征对重现型地磁暴预报的价值。“神舟五号”飞船 将在2 0 0 3 年l o 月发射，为保障飞船的安全需要提前三个月对2 0 0 3 年1 0 月的 地磁活动水平进行分析预测。2 0 0 3 年处于太阳活动周下降年，冕洞引发的重现 型地磁暴在地磁扰动中占有主导地位。因此在对“神舟五号”飞船的安全期预 测过程中，我们对2 0 0 3 年存在的冕洞、冕洞特性，以及它们引发地磁暴的大小、 重现周期特性进行了逐个分析。最后，综合冕洞特性、演化趋势及其引起磁暴 特性对2 0 0 3 年1 0 月的地磁活动水平作出了预测。 第一章冕删j 重吼型地磁暴 2 2 1 数据选取 我们综合2 0 0 3 年太阳冕洞观测以及地磁指数测量结果，全面分析了这一年 耀，太嘲表露赤道黠近的疑有爨溺峙提。颞弱数据包掺：2 0 0 3 年鸵地磁资磐 ( 其 中包括k p 、a p 指数) 取自于世界数据中心地磁分中心( 京都) 的数据资料。2 0 0 2 年到2 0 0 4 年越太强冕懑鼹测资辩取鑫s 0 - i o 至霾熬紫姊搽测缀莱。分褥中矮_ l 的太阳风参数( 太阳风速度、密度) 和行星际磁场( 磁场强度、磁场南向分量) 的蕊涮资料来翻a c e 卫穗观测结采。 2 2 2 数据分析 综合2 0 0 3 年太阳甍漏观测以及圭氇磁指数测羹结巢，我们笈现在这瓣淘弱稀 一 ：共有5 个冕洞存在。其中正极性冕洞两个，负极性冕洞三个。为了研究方便， 我们将这5 个爨洞分剐标定为“l 号冕洞( h i ) ( + ) ”、“2 号鬣洞( h 2 ) ( + ) ”、 “3 号冕漏( t 1 3 ) ( 一) ”、“4 号冕洞( h 4 ) ( 一) ”和“5 号冕灏( h 4 ) ( 一) ”。 附录2 列出了各个冕洞在每个卡林顿周重现时经过闩酾中心线的日期和重现周 耀。曜录1 是遥过s o h o 里星上紫於搽溅仪所褒测到戆鍪冕溺翻。 “l 号冕洞”从2 0 0 3 年1 月开始，到飞船发射前夕已经稳定的存在了9 个 月：“2 号冕洞”从2 0 0 2 年1 0 开始出现，起初该冕洞为一孤立冕洞，慢慢发联 长大，娥轰与 l 连在一起，形成了一令大的极区冕濑( 图2 。2 2 ) 。它们的特 点是在曰面的缀度跨度大、稳定，具有较强的周期性；它所引起的太阳风高速 浚涎逮凌褰，瓣遗磁懿影旗特缝是眩阍较长，撬动大小一簸灸枣磁暴东乎，鼗 大k p 指数为7 。 幽2 2 1“1 号魁洞”与“2 号冕洞”相联形成个人的跨越办道的冕f | 司 冕洞与煮现型地磁暴特性分析研究 觚2 0 0 3 年秘看起“1 号霓洞”藕“2 号冕滴”对遗磁影确最夭的时候出嚣 在5 月。6 、7 月份对地磁的影响星衰减趋势。但随后的8 月、9 月，“1 号冕洞” 对地磁影响的大小和时阐长短的程度突然增加，其中影响程度激太两天的地磁 霪数分别为：8 月2 1 霸，a p = 5 8 ，k p = 4 ，5 ，7 ，5 ，6 ，5 ，5 ，5 】；9 恳1 7 霾， a p = 7 0 ，k p = e 5 ，5 ，5 ，7 ，7 ，4 ，4 ，6 。均达到了强扰动的级别( 扰幼级别 定义觅表2 。2 一| ) 。 扰动指数( r )扰动级别对应的k p 指数 l平羚3 2小扰动4 3 孛等鸯5 ：动 5 6 4强扰动7 8 5剧烈扰动9 表2 ，2 - 1 。扰动缀裂定义 “3 号冕洞”、“4 号冕洞”、“5 号冕洞”为3 个负极性的孤立冕洞；最然每 个冕洞的面积都不大，形态变化比较大，但也已稳定的存在了6 个月以上( 详 冤瓣录1 ) 。它翻零l 起熬太疆风麓速滤夔速度不爨，一般在6 0 0 k m s 左蠢。宅矮 对地磁影响的特点是：影响地磁活动的时间长短和大小，随冕洞形态变化而有 较大差异。毽葱静来说，交于爨溷鹃瑟狡枣，嗣葱经度跨度小，繇戮霹魄磁影 响时间短；虽然引起的太阳风速度不同，但引起的地磁扰动强度却不小。7 月 1 1 1 2e l ，“3 号冕漏”葶l 起了中等遣磁器，暴时超过2 7 小时，鼹大k p 指数达 到了7 ；7 月1 5 翻- 1 7 日，“4 号罴洞”引起了小到中等嫩磁暴，最大k p 指数达 到了6 。在随后的8 月份，这两个冕洞对地磁的扰动明驻减弱，到9 月( 飞船 发瓣蘸一个胄) 越它钼只是对蜷磁造成小扰动爨度，除令孵毅( 3 ，l 、瓣) k p 指数达到5 外，几乎没有达到磁器水平( k p 指数最大为4 ) 。 为了恧加直观的分析各冕洞引发地磁暴的2 7 天重现性，我们将地磁a p 指 数大小强2 7 天麓蠲羯懿柱状燕溺蹬，梵瑟2 。2 - 1 。在逸受我 】将速磁鼬指数 第二章冕洞与重现型地磁暴 分为三个等：a p 2 0 用绿色表示，代表地磁宁静日( 可能偶尔有小扰动) 2 0 a p 4 0 用黄色表示，代表地磁有小到中等扰动；a p 4 0 用红色表示，代 表地磁有中等到剧烈扰动。 冕洞与重现型地磁暴特性分析研究 图2 2 2 神舟五号飞船发射( 2 0 0 3 0 1 一2 0 0 3 0 9 ) 地磁活动情况 根据5 个冕洞引起地磁扰动的