日冕物质抛射在太阳大气中的运动学研究

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日冕物质抛射(CME)是太阳大气中一种剧烈爆发现象,是与空间天气事件关系最为紧密的太阳活动。CME是非重现性地磁暴和缓变型太阳高能粒子事件的驱动源。CME的速度会影响它驱动激波的能力以及它到达地球磁层的时间,而CME的传播方向会影响它能否到达地球磁层。因此研究CME在太阳大气中的运动学特征,对更好地理解CME的空间天气效应以及对空间天气事件进行预报有着较为重要的意义。本文主要利用STEREO卫星的CME观测资料以及Thcrnisien et al. [2006,2009]提出的磁通量管状的CME模型(the Graduated Cylindrical Shell model,GCS),对CME在太阳大气中的运动学特征进行研究。STERERO卫星的双点观测,首次提供了对CME的三维空间结构及位置进行重构的机会。我们通过两个典型的CME事件(2008年4月9日CME事件和2008年12月12日CME事件),介绍了GCS模型在CME三维重构中的应用,并分析了可能带来的误差。进一步我们利用GCS模型分析了CME的三维速度,通过比较两种投影修正方法得到结果与GCS模型给出结果的差别,说明了投影修正方法在讨论CME运动学特征时的局限性,同时也给出了两种投影修正方法的适用范围。我们对2007-2008年间STEREO卫星观测到的21个结构清晰的CME事件进行了分析,比较了STEREO A星和B星观测到的CME投影速度、两种投影修正方法得到的修正速度(Vm)以及GCS模型获得的三维速度。其中用于比较的两种修正方法分别是简单投影修正[Shen et al.,2007]和复杂投影修正[Leblanc et al.,2001]。比较结果表明简单投影修正只有在日心角距大于50°时,修正速度与三维速度的误差小于10%,而当日心角距小于50°时,误差较大,甚至可能达到90%;复杂投影修正的适用范围更广,但仍存在一定的适用范围。在目心角距大于45°时,修正速度与三维速度的误差小于10%,与简单投影修正相比,即使在日心距较小,所造成的误差也在20%以内。另外在日心角距大于65°时,投影速度与三维速度的误差也在10%以内。以上结果也为我们在单星观测的条件下,对投影修正结果进行误差评估提供了依据。在上述工作的基础上,我们系统的研究了CME在太阳大气中的偏转传播现象。首先我们利用STEREO B星的观测数据,分析了发生于2007年10月8日的CME事件在天空平而内运动学过程,该事件发生于日面边缘,是个边缘事件,因此受投影效应影响较小。这个事件在传播早期发生了从高纬到低纬的偏转,其偏转幅度大约在30°左右,在随后的传播过程中,不再发生明显的偏转。通过分析背景磁场的分布情况,发现CME在早期的偏转是受到背景磁场能量分布的影响。CME在背景磁能密度梯度的作用下,从高磁能密度区域向低磁能密度区域发生偏转。由此我们建立了第一个定量描述CME在日冕中偏转传播的理论模型:磁能密度梯度模型(Magnetic Energy Density Gradient Model;MEDG Model)。进一步,我们利用STEREO A、B两颗卫星的联合观测,以及GCS模型对CME三维结构的重构,研究了2007年11月到2008年底之间的10个CME在太阳大气中偏转传播的统计特性。发现8个CME事件在传播过程中发生了明显的偏转,而且偏转不仅存在于纬度方向上,同时也存在于经度方向上。通过比较CME偏转与背景磁能密度的分布,发现这些CME均从高磁能密度区域向低磁能密度区域偏转。进一步的定量分析发现,CME在内日冕(4 Rs以下)的偏转较为明显,CME偏转方向与负磁能密度梯度的方向有较好的一致性,CME的偏转率与负磁能密度梯度的大小也存在较好的正相关性,相关系数为0.85,即磁能密度梯度越强,CME的偏转率越高。同时CME的速度与偏转率之间有着较弱负相关性,相关系数为0.6,即CME传播速度越快,偏转率越低。这些统计结果进一步说明了CME在日冕中的偏转传播现象可用磁能密度梯度模型来定量描述,而这一模型对我们建立完整的CME对地有效性预报模式具有极其重要的价值。
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