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实验室人员在建立CME触发模型、模拟CME传播偏转方面取得系列进展

2021年02月26日 星期五 15:14:52

日冕物质抛射(CME)是灾害性空间天气的主要驱动源,如何针对特定的CME/太阳风暴事件,了解其日冕/行星际传播及演化过程,预报是否以及何时到达地球轨道,预测近地空间太阳风状态的变化,是空间天气科学界一直关注的重要课题之一。

实验室沈芳研究员团队以渐变圆柱壳(GCS)模型为基础,建立了一种新的三维CME磁绳模型,在三维MHD背景下对快速CME的传播过程中的偏转现象和CME模型的初始参数设定所对行星际空间模拟结果产生的不同影响进行了深入分析与探讨。

共转相互作用区(CIR)是太阳风中的一种重要的结构,当快速CME传播在行星际空间中,与CIR发生相互作用时,也会改变原有的传播路径。因此,对CIR影响下的CME偏转过程进行数值模拟研究是十分重要的。沈芳团队的博士生刘佑生等人基于GCS模型构建了一种新的三维CME磁绳模型(图2),模拟了快速CME在行星际空间的传播及偏转过程。结果表明:当快速CME在行星际空间传播时,其传播方向会向东偏转;当其与西侧的CIR发生相互作用时,由于受到CIR的阻碍,其偏转情况跟前者相比会有所加剧(图2),图2(a)和(c)表示有CIR作用情况下快速CME的偏转,图2(b)和(d)表示没有CIR作用情况下快速CME的偏转。相关工作发表于The Astrophysical Journal杂志。

图1 基于GCS模型构建的CME磁绳模型

图2 存在CIR影响以及没有CIR影响下快速CME在背景太阳风中偏转情况

近日,沈芳等人对新的CME磁绳模型的初始几何参数和物理设定对于不同位置处行星际空间模拟结果的影响进行了细致的参数研究。本项工作主要讨论了CME初始参数,包括密度、几何大小、质量以及磁场对地球和火星位置处数值模拟结果的影响,数值模拟中采用IN-TVD-MHD数值模式、六片网格技术及GCS-based CME flux rope模型。

该模拟工作主要针对初始CME传播方向沿着日地连线的情况下展开,选取了卡林顿周2093时位于地球和火星两个位置的结果作为研究对象,针对包括CME模型初始的密度、磁绳初始几何尺寸、总质量以及初始磁场大小和方向在内的初始参数,进行了总计18组CME事件的研究(表1),对地球和火星位置处的激波到达时间,各参数峰值及南向磁场持续时间等模拟结果进行了定量对比分析(表2)。研究结果表明:改变初始磁场会影响CME到达地球时的地磁效应,但几乎不会影响CME在行星际空间传播的动力学过程;改变初始密度或几何尺寸会影响CME的传播过程,包括CME激波到达地球和火星的时间以及CME在行星际空间的传播速度;若同时改变初始密度和几何尺寸但保持初始质量不变,CME的传播过程则没有明显改变, 这可能是因为我们的研究区域集中在行星际空间,相对于磁能,动能在CME传播过程中占主导地位。强的南向磁场往往与大的地磁暴密切相关,因此南向磁场的峰值和持续时间都很重要,结果表明不仅初始磁场,而且CME的初始密度(质量)也会影响到南向磁场的持续时间。本研究仅讨论了初始质量(包含初始密度和几何尺寸)和初始磁场(包括大小和方向)的影响,并且仅考虑了传播方向沿日地连线,在未来的工作中,结合Parker Solar Probe 以及 Solar Orbiter的观测数据,对更为丰富的初始参数,不同太阳风背景,以及对不同的行星际位置处的影响将展开进一步的参数研究,希望对行星际空间的空间天气数值预报等方面做出新的贡献。相关工作发表于The Astrophysical Journal Supplement Series杂志。

表 1 不同初始密度、初始几何形状、初始总质量和初始磁场的18组CME事件的具体初始参数设定

表 2 不同初始密度、初始几何形状、初始总质量和初始磁场的18组CME事件的数值模拟结果对比

Citation:

(1) Liu, Y., Shen, F.* and Yang, Y., 2019. Numerical Simulation on the Propagation and Deflection of Fast Coronal Mass Ejections (CMEs) Interacting with a Corotating Interaction Region in Interplanetary Space. The Astrophysical Journal, 887, 150. https://doi.org/10.3847/1538-4357/ab543e

(2) Shen, F.*, Liu, Y. and Yang, Y., 2021. Numerical Research on the Effect of the Initial Parameters of a CME Flux-rope Model on Simulation Results. The Astrophysical Journal Supplement Series, 253,12. https://doi.org/10.3847/1538-4365/abd4d2



 

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