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实验室科研人员在太阳风暴和激波研究取得系列进展

2018年05月21日 星期一 16:15:40

太阳风暴(CME)及其激波可以产生地磁暴、高能粒子、射电暴,是空间天气研究和预报的重要对象。近期刘颍研究员团队在这方面取得了系列进展。

激波与CME的相互作用是一种常见而又重要的现象,当前对此的研究主要集中于大尺度。团队通过粒子分布和波动分析两个方面在动理学尺度对激波和CME相互作用进行了研究(图1)。发现:即使在CME的磁流绳中,激波仍然可以产生反射的回旋离子,这与波粒相互作用一起可为激波提供能量耗散机制;哨声热流不稳定性被激发,产生的哨声波改变了电子的投掷角,可以解释CME中双向电子流消失的现象。此项研究为激波-CME相互作用过程提供了动理学(kinetics)的新视角。该论文发表于The Astrophysical Journal Letters,第一作者为研究生刘明哲。

团队就CME驱动激波对电子反射、加速的微观机制进行了全粒子(PIC)模拟(图2)。研究发现,被非稳态(再形成和涟漪并存)激波面反射的离子束流会与上游背景太阳风电子在激波脚(foot)前沿发生相互作用,从而产生沿激波面法向的准静电场。在准垂直激波条件下,这个电场能够有效的捕获电子并对其加速和加热;在准平行激波条件下,这个电场能够形成反射电子束流。本研究结果为电子束流激发II型射电暴提供理论依据。该论文发表于The Astrophysical Journal,第一作者为杨忠炜副研究员。

CME的磁流绳在日冕和行星际空间传播中可以发生非径向和旋转运动,改变CME的地磁效应。团队结合多卫星数据和多方法,研究了2015年12月16日的爆发事件(图3)。发现活动区中以及周围日冕磁场的分布对磁流绳非径向和旋转运动有重要影响,磁绳在源区几乎是水平的, 而在较高日冕和地球附近磁绳基本南向了。磁绳轴向磁场提供了持续的南向磁场,造成了较强的地磁暴。该论文发表于The Astrophysical Journal,第一作者为研究生刘毅。

目前关于弱CME如何产生强地磁效应的过程仍不明确。团队结合多卫星数据和多方法,研究了2016年10月8日的一个无低日冕特征的“隐形”(stealth)爆发事件(图4)。研究发现:该CME在行星际空间传播时被夹在一个压缩区中,即快速和慢速太阳风之间,导致了CME内部磁场的增强,从而引发了意料之外的地磁暴。此研究表明第24活动周虽然很弱,但低纬冕洞和慢速CME经常发生,从冕洞产生的快速太阳风与慢速CME相互作用,可以导致增强的地磁效应。该论文已被The Astrophysical Journal接受,第一作者为研究生何雯。

Citations:

Mingzhe Liu; Ying D. Liu; Zhongwei Yang; L. B. Wilson III; Huidong Hu; Kinetic Properties of an Interplanetary Shock Propagating inside a Coronal Mass Ejection, 2018, ApJL, 859, L4 (http://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/aac269)

Yi A. Liu; Ying D. Liu; Huidong Hu; Rui Wang; Xiaowei Zhao; Multi-spacecraft Observations of the Rotation and Nonradial Motion of a CME Flux Rope Causing an Intense Geomagnetic Storm, 2018, ApJ, 854, 126 (https://doi.org/10.3847/1538-4357/aaa959)

Z. W. Yang, Q. M. Lu, Y. D. Liu, and R. Wang, Impact of shock front rippling and self-reformation on the electron dynamics at low-Mach-number shocks, 2018, ApJ, 857, 36 (https://doi.org/10.3847/1538-4357/aab714)

Wen He; Ying D. Liu; Huidong Hu; Rui Wang; Xiaowei Zhao; A stealth CME bracketed between slow and fast wind producing unexpected geo-effectiveness, 2018, ApJ, in press (https://arxiv.org/abs/1805.03128)



图1:激波前后离子(上)和电子(下)的速度分布。箭头标记了反射回旋离子和双向流电子。

图2:PIC模拟的激波、速度分布及其对电子的反射行为。

图3:太阳源区的磁绳定向(左)和地球附件的磁绳重构(右)。

图4:地球附近太阳风观测及其与ENLIL MHD模拟的比较(top 2 panels)。

 

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