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激波-行星际日冕物质抛射复杂结构的空间天气效应

归档日期:09-24       文本归类:磁暴效应      文章编辑:爱尚语录

  激波-行星际日冕物质抛射(S-ICME)作为行星际空间中一类大尺度复杂结构,具有极强的空间天气效应。一方面,S-ICME是强地磁暴的一个重要的行星际起源;另一方面,S-ICME也可能导致太阳高能粒子事件增强。本文主要依据Wind卫星长时间的观测,分析了 S-ICME对地磁暴和太阳高能粒子事件的影响。根据Wind卫星的观测数据,本文建立了 1995至2017年间地球附近的激波列表,总共包含568个前向快激波。利用R-H迭代方法,本文对这些激波进行了参数拟合。总体而言,地球附近的激波速度慢且强度弱:其平均速度为442 km/s,平均密度压缩比为2.0,平均阿尔芬马赫数为2.7。此外,激波更倾向于为准垂直激波,其θBN的平均值为61°。激波的数量和速度呈现出明显的太阳周期性变化,在太阳活动高年,激波数量更多,速度更快。而激波的密度压缩比、阿尔芬马赫数以及θBN并不随太阳太阳黑子数的变化而表现出明显的差异。根据激波后方24小时内出现的结构,可将其分为行星际日冕物质抛射(ICME)驱动的激波,流相互作用区(SIR)驱动的激波和无驱动源的激波。对比这三类激波的参数可以发现,ICME驱动的激波数量最多、速度最快、密度压缩比和阿尔芬马赫数也最大。在太阳活动高年,激波主要由ICME驱动,而在太阳活动低年,激波主要为SIR激波。这568个激波中,有58个位于ICME内部。这些ICME中的激波大多出现在太阳活动高年。与其他地球附近的激波相比,ICME中的激波速度快但强度弱,其平均速度较其他激波快约lOOkm/s,而其阿尔芬马赫数却低约0.6。此外,ICME中的激波并非是均匀分布的,高达73%的激波出现在ICME的后1/3处。这意味着,ICME内部低等离子体β的环境令很多激波无法继续保持其快激波的状态,45%的激波在传播过程中被耗散。2017年9月8日的地磁暴是一个峰值强度高达-142nT的强多阶磁暴。根据局地观测,可以判定该地磁暴的行星际起源为开始于2017年9月7日16:50 UT的S-ICME事件。通过将S-ICME中被激波压缩的部分还原至未被压缩的状态,并代入至多种Dst预测方法中,本文发现激波对ICME内部南向磁场的压缩使得地磁暴的强度增强了近两倍。这项工作首次实现了定量分析激波压缩对ICME地磁效应的影响。此外,在这个事件中,S-ICME内部的高能质子通量较上游增加了约5倍。利用同样的方法,本文分析了 1995年以来Wind卫星总共观测到的11个由激波与行星际日冕物质抛射相互作用加剧的地磁暴。平均而言,由于激波的压缩,ICME中南向磁场和晨昏电场的峰值分别增加了 2.0倍和2.4倍,进而使地磁暴的强度增加了 1.4倍。如果没有激波压缩,ICME的地磁效应将显著降低,其中5个(63%)强地磁暴将降为中等强度地磁暴。此外,本文从理论和统计的角度出发,分别证明了激波的密度压缩比与激波导致的地磁暴增强之间存在显著的相关性:激波的密度压缩比越大,地磁暴的增强就越明显。根据1995至2017年间Wind卫星对太阳风、磁场以及高能质子通量的观测,本文识别了 12个高能粒子通量增强的ICME事件。在这12个ICME中,9个是S-ICME复杂结构,占全部事件的75%,说明与其他ICME相比,S-ICME复杂结构内部更易出现高能质子通量增强的现象。通过比较高能质子通量增强增强的I-ICME和S-ICME事件,可以发现在所有的能段,尤其是高能能段中,S-ICME事件内部的通量增强比I-ICME事件更为显著。此外,与其他在ICME内部传播的激波相比,高能质子通量增强的ICME事件中的激波具有较大的速度、密度压缩比和阿尔芬马赫数。这表明在这些事件中,高能质子的加速与激波有关。

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