日冕物质抛射的对地有效性及近地空间环境的研究

摘要

做为灾害性空间天气的一种重要起源一日冕物质抛射(CME)，一直是空间物理学家关注和研究的热点；另一方面，做为空间天气的最直接表现的层次一近地空间环境，随着地基探测手段的不断建立和完善也成为日一地关系链研究中的一个重要方面。本文主要从空间天气这因果两端出发，对CME的对地有效性问题，以及近地空间环境的探测和动力学过程进行了初步的研究。 在CME的对地有效性方面，主要工作包括： CME冰淇淋锥模型的建立。根据SOHO/LASCO和ISOHO/EIT对CME的观测，我们发展了CME的三维冰淇淋锥模型。通过CME在天空平面投影在不同方位角上的时间一高度关系来确定CME投影速度，并且利用日面观测资料限定CME的源区位置，然后通过假定CME在LASCO观测范围内具有定常的速度和角宽度，可以利用模型拟合给出CME的动力学和几何学参数，即速度ν、角宽度α和爆发点位置。 CME对地有效性．主要影响因素。一般认为爆发点靠近日面中心的向地晕状CME最具潜在地磁效应，我们通过分析2005年9月7-13日5次主要的CME事件的日面和行星际观测资料，发现爆发点在E67°的第2个CME和爆发点在E47°的第3个CME到达了地球位置，而爆发点在E77°、E39°和E10°的第1、4、5个CME则错过或者仅仅擦过地球。结合冰淇淋锥模型和DCME行星际偏转模型，我们发现除爆发点位置外，CME的角宽度和CME在行星际介质中的偏转角度也是影响CME对地有效性的主要因素。较大的张角宽度，使得中间2个爆发点位置偏离日面中心的CME到达了地球位置；第1个CME虽然有很大的角宽度，但是显著的偏转效应却使得它偏离了地球，同时较小的角宽度和偏转效应也使爆发点非常接近日面中心的第5个CME偏离了地球。因此我们认为考察CME对地有效性时，要综合考虑CME的源区、角宽度和在行星际中的偏转。 CME对地有效性-特大地磁暴起因。利用ACE和Wind卫星的观测数据，认证了在太阳活动高年2000-2001年发生的特大地磁暴的CME源和行星际源，分析了何种CME和其相应的行星际结构具有最强的地磁效应，以及产生如此显著对地有效性的有效机制。我们发现在特大地磁暴的形成中，磁云扮演了一个很重要的角色，同时还认为与特大地磁暴事件相对应的强行星际磁场南向分量B<,s>的形成，除了2000年7月16日和2000年8月12日这两次事件，其余的都与磁场压缩机制有关：1)行星际CME(ICME)之间的压缩，如多重磁云，激波追赶磁云；2)ICME和背景太阳风介质之间的压缩，如激波压缩，复杂抛射高速流压缩，以及场覆盖。约有一半的特大地磁暴与连续CME的活动相关，具有不同抛射速度的CME在行星际空间中传播时可能互相追赶、互相作用或者互相溶合，形成不同行星际结构，如多重磁云、激波穿越磁云、或者复杂抛射物等等。当高速的后随ICME本体或者其驱动的激波追赶上前面相对较慢速的ICME时，它会传递很高的动力学压力，使前导的ICME或者ICME的鞘区内磁场被压缩，特别是当前一个ICME或者其鞘区中的磁场是南向的时候，就可能因压缩造成ICME更显著的地磁效应，增加了CME对地的有效性。同时我们进一步验证了在引起地磁暴的行星际参数中，-VB<,Z>的贡献远大于其持续时间△t，说明了压缩后的行星际南向磁场具有更加强烈的地磁效应。 在近地空间环境研究方面，主要工作包括： 激光雷达对近地空间环境的探测。中国科学技术大学于2005年底建成一部具有双波长发射三通道探测的激光雷达系统，可以实现对80-110km高度钠层密度、30-70km高度大气温度和密度、以及近地面至30km高度大气气溶胶消光系数的探测。我们展开了这部激光雷达的建设、调试和观测工作。详细阐述了该激光雷达的技术特征和对不同大气参数探测的反演算法，特别从荧光激光雷达系统结构和设计原理出发，提出了对接收系统中发射光束与接收视场的精确匹配进行调节的方法、基于系统本身的波长校正方法。同时利用激光雷达对合肥上空钠层长达1年的探测数据，分析了合肥地区钠层的主要形态特征、夜问变化和季节变化。夜间观测表明钠层中存在显著的波动扰动，并经常伴有突发钠层事件。合肥钠层柱密度最小的值1.126×10<'9>cm<'-2>出现在6月份，最大值6.014×10<'9>cm<'-2>出现在12月份。在冬季(特别是12月份)柱密度表现出显著的峰值，而在夏季月份柱密度则表现出相当宽广的极小值；质心高度没有明显的季节变化；RMS宽度则表现出准半年变化。 流星雷达对近地空间环境的探测和大气潮汐模式的研究。利用流星雷达观测，结合典型相关分析，对大气周日潮汐和半日潮汐的模式进行了初步研究。典型相关分析可以将某个特定的频带(如周日，半日)中存在的多种波动结构按照它们的相关性提取出来，利用该方法处理武汉流星雷达2002年一年的观测数据，我们获得了武汉上空大气周日潮汐和半日潮汐的典型相关模式。对于周日潮汐共获得6阶有效的潮汐典型相关模式，携带了90％以上的总变差，这些模式与大气不同的激励/调制源相对应，即周日潮汐的季节变化(最显著的模式)、准半年变化、太阳27日周期调制变化和行星波(～10d，～16d等)调制变化。通过分析各阶模式的垂直波长以及水平风场的偏振特性，发现在武汉的周日潮汐风中的主导模式是经典潮汐模S(1，1)，典型的偏振特性为圆偏振。对于半日潮汐共获得4阶有效的潮汐典型相关模式，携带了大约2/3的总变差。在半日潮汐模式中没有出现准半年周期变化，第1阶典型相关模式仍然是最显著的模式，它代表了半日潮汐的季节变化特征；高阶典型相关模式中也存在～10d，～16d，～27d的调制周期，分别对应着10日或者16日行星波，以及太阳27日活动的调制。

目录

文摘

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致谢

第一章引言

1.1日冕物质抛射及其相关的行星际结构

1.1.1日冕物质抛射及其观测

1.1.2行星际日冕物质抛射的特征

1.1.3磁云

1.1.4多重磁云

1.1.5日地空间行星际激波

1.2近地空间环境的监测和动力学过程

1.2.1近地空间的探测技术

1.2.2近地空间的动力学过程

1.3本文目的

第二章日冕物质抛射对地有效性的研究

2.1 CME的冰淇淋锥模型

2.1.1概述

2.1.2理论模型的建立

2.1.3冰淇淋锥模型参数的确定

2.1.4模型的讨论

2.2 CME对地有效性的影响因素

2.2.1概述

2.2.2 2005年9月7-13日的5次主要CME事件

2.2.3与5次CME相关的行星际激波和ICME的观测

2.2.4 CME模型及其与对地性的关系

2.2.5讨论

2.3 CME对地有效性—太阳活动高年(2000-2001)特大地磁暴的起因

2.3.1概述

2.3.2数据来源与分析方法

2.3.3太阳活动高年(2000-2001)8次特大地磁暴的CME源和行星际源

2.3.4 讨论

2.4小结

第三章近地空间环境的研究

3.1近地空间的激光雷达观测

3.1.1中国科学技术大学激光雷达系统结构

3.1.2中国科学技术大学激光雷达系统特征技术

3.1.3后向散射式激光雷达探测原理

3.1.4钠层(80-110 km)密度反演原理和观测结果

3.1.5中层大气密度、温度(30-70 km)反演算法和观测结果

3.1.6气溶胶(近地面-30km)反演算法和观测结果

3.2近地空间流星雷达观测和潮汐模式研究

3.2.1武汉流星雷达简介

3.2.2武汉地区中高层大气潮汐模式研究方法：典型相关分析(Canonical Correlation Analysis，CCA)

3.2.3武汉地区中高层大气周日潮汐模式

3.2.4武汉地区中高层大气半日潮汐模式

3.2.5讨论

3.3小结

第四章总结

参考文献

Publications