第23太陽活動周強(qiáng)磁暴行星際源的統(tǒng)計(jì)分析

陳春 趙振維 孫樹計(jì) 班盼盼 王保健

(中國電波傳播研究所,青島 266107)

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第23太陽活動周強(qiáng)磁暴行星際源的統(tǒng)計(jì)分析

陳春 趙振維 孫樹計(jì) 班盼盼 王保健

(中國電波傳播研究所,青島 266107)

統(tǒng)計(jì)了第23太陽活動周(1996-2006)發(fā)生的90次強(qiáng)地磁暴(Dst≤-100 nT)的行星際源. 在第23太陽活動周內(nèi),當(dāng)行星際磁場(Interplanetary Magnetic Field,IMF)Bz分量南向翻轉(zhuǎn)并持續(xù)較長時(shí)間時(shí),通常會引起強(qiáng)磁暴的發(fā)生,進(jìn)而引起電離層暴. 文中分析了強(qiáng)磁暴的年分布狀況以及引起強(qiáng)磁暴的不同行星際結(jié)構(gòu)在同樣活動周的分布特征,并且分析了中國地區(qū)電離層暴事件的行星際源. 統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,1) 行星際日冕物質(zhì)拋射(Interplanetary Coronal Mass Ejection,ICME)是引起強(qiáng)磁暴的主要行星際源. 在ICME中,相對于非磁云結(jié)構(gòu),磁云結(jié)構(gòu)是引起強(qiáng)磁暴的主要行星際源. 2) 強(qiáng)磁暴主要在太陽活動極大年和下降年份,在太陽活動低年出現(xiàn)次數(shù)較少. 強(qiáng)磁暴在太陽活動周的分布呈三峰結(jié)構(gòu),并認(rèn)為可能跟1999年強(qiáng)磁暴發(fā)生次數(shù)異常少,使1998年凸顯出來的現(xiàn)象有關(guān). 3) ICME引起的電離層暴事件是共軛作用區(qū)(Corotating Interaction Region,CIR)引起電離層暴的7倍多,這說明ICME也是電離層暴事件的行星際源.

地磁暴;電離層暴;行星際日冕物質(zhì)拋射;磁云;共軛作用區(qū)

DOI 10.13443/j.cjors.2015122501

引 言

太陽風(fēng)-磁層-電離層的相互作用是一個多尺度耦合的復(fù)雜系統(tǒng).地磁活動與太陽活動密切相關(guān),引起磁暴和電離層暴的源是太陽. 地球磁層是太陽風(fēng)和近地空間的過渡區(qū),太陽風(fēng)不停地向磁層輸運(yùn)能量,經(jīng)過在磁層內(nèi)的轉(zhuǎn)換和傳輸,行星際磁場(Interplanetary Magnetic Field,IMF)Bz南向時(shí), 與地球磁場發(fā)生重聯(lián), 有利于太陽風(fēng)中的物質(zhì)和能量進(jìn)入磁層,維持著大尺度的磁層對流,進(jìn)而通過與電離層、熱層的耦合來影響近地環(huán)境.

日冕物質(zhì)拋射(Coronal Mass Ejection,CME)噴發(fā)出的等離子體云若對著地球方向傳播,經(jīng)過1-4天會到達(dá)地球,與地球磁場相互作用;同時(shí),當(dāng)快速日冕物質(zhì)拋射穿過太陽風(fēng)時(shí),會加速其中的離子,使之成為強(qiáng)度高且持續(xù)時(shí)間長的高能離子源,是引起太陽風(fēng)和強(qiáng)磁暴的主要源泉. 對地日冕物質(zhì)拋射在行星際空間傳播形成的磁云可直接撞擊地球的磁場,其強(qiáng)大的速度和可長期維持的強(qiáng)南向磁場使磁云(Magnetic Cloud,MC)與地磁場有效地相互作用,產(chǎn)生強(qiáng)烈的地磁暴. 例如,2003年10月28日發(fā)生對地日冕物質(zhì)拋射,該事件19小時(shí)后引起強(qiáng)烈的地磁暴. 擾動的太陽風(fēng)與地球磁層等離子體相互作用使得全球電離層F層電子密度發(fā)生劇烈變化,這稱為電離層暴. 電離層暴往往涉及全球范圍,當(dāng)發(fā)生電離層暴時(shí),高、中、低緯地區(qū)電離層電子密度的變化形態(tài)差別很大. 一般地說,電離層暴時(shí),高緯度地區(qū)F層的電子密度是減少的,即電離層負(fù)暴;反之,則稱為電離層正暴.有時(shí)候一次電離層暴過程中會有正、負(fù)相暴交替出現(xiàn)的情況,即所謂雙相暴. 以上三種情況統(tǒng)稱為電離層暴事件,通常延續(xù)一到三天左右.

根據(jù)Dst峰值的不同,將地磁暴分為-100 nT-30 nT作為磁暴事件的結(jié)束標(biāo)志. 據(jù)統(tǒng)計(jì),行星際總磁場Bs>10 nT且持續(xù)時(shí)間T≥3 h更易引起電離層暴的發(fā)生[3]. 大量研究表明[4-6]:行星際日冕物質(zhì)拋射(Interplanetary Coronal Mass Ejection,ICME)以及冕洞高速流壓縮前面低速流形成的共轉(zhuǎn)相互作用區(qū)(Corotating Interaction Region,CIR)是引起磁暴的主要行星際源,其中ICME包括磁云,即具有強(qiáng)的磁場強(qiáng)度、低的質(zhì)子溫度、磁場Bz方向由北向南或由南向北單調(diào)緩慢旋轉(zhuǎn)、拋射物與激波之間的鞘層(Sheath, SH)、SH與拋射物共同作用、多個拋射物相互作用形成的復(fù)雜拋射物(尤其是多個磁云相互作用形成的多重磁云結(jié)構(gòu)). SH、MC、SH+MC、CIR這4種行星際結(jié)構(gòu)是引起強(qiáng)磁暴的主要行星際源,并且這4種主要的行星際源在太陽活動周的分布并不相同[7].

利用1996-2006年根據(jù)Dst指數(shù)確定的磁暴(Dst≤-100 nT)數(shù)據(jù)、行星際磁場和電離層觀測數(shù)據(jù),分析強(qiáng)磁暴的年分布狀況以及引起強(qiáng)磁暴和電離層暴的不同行星際結(jié)構(gòu)的分布特征,對過去的統(tǒng)計(jì)結(jié)果做驗(yàn)證和補(bǔ)充.

1 數(shù)據(jù)來源

所用來源于ACE衛(wèi)星和WIND衛(wèi)星的太陽風(fēng)觀測數(shù)據(jù)( http://omniweb.gsfc.nasa.gov/)、地磁Dst數(shù)據(jù)(http://magbase.rssi.ru/DSTINDEX/download. html)、太陽黑子數(shù)據(jù)(http://sidc.oma.be/sunspot-data/). 選用的foF2數(shù)據(jù)來自于滿洲里、長春、烏魯木齊、北京、蘭州、重慶、廣州和海口八個電波觀測站的觀測數(shù)據(jù),取每小時(shí)一個數(shù)據(jù)點(diǎn). 各臺站的經(jīng)度、緯度坐標(biāo)見表1.

表1 探測臺站的經(jīng)緯度

根據(jù)foF2的相對偏差df,將電離層暴事件定義為連續(xù)6小時(shí)中有5小時(shí)df滿足:

30%≤df或df≤-20%.

df>0時(shí)稱為正相擾動,df<0時(shí)稱為負(fù)相擾動.

foF2相對偏差df的計(jì)算方法為:

(1)

式中:foF2為電離層foF2觀測值,MHz;foF2m為相應(yīng)時(shí)刻電離層foF2的月中值,MHz.

2 典型事件分析

根據(jù)引起磁暴的行星際結(jié)構(gòu)的不同,將行星際源分為7類:共軛相互作用區(qū)(CIR)、鞘層(SH)、由激波引起的磁云(A MC with a shock, sMC)、非磁云結(jié)構(gòu)的行星際日冕物質(zhì)拋射(Any ICME that does not follow the MC crietria, NonMC)、磁云結(jié)構(gòu)的行星際日冕物質(zhì)拋射(A MC with no shock, NsMC)、鞘層+磁云(SH+MC)以及其它結(jié)構(gòu)(包括復(fù)雜拋射物等),對第23太陽活動周發(fā)生的90次強(qiáng)磁暴的行星際源進(jìn)行了分析.

下面通過對2個不同類型行星際源事件的分析,說明引起強(qiáng)磁暴的不同行星際結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn).

圖1所示為SH+MC引起的2004年7月26日-27日強(qiáng)磁暴的典型事例,26日22:00UT左右觀測到激波,鞘層區(qū)域內(nèi)Bz分量在南北方向上大幅度擾動,隨后Bz出現(xiàn)長時(shí)間南向翻轉(zhuǎn),導(dǎo)致Dst指數(shù)出現(xiàn)擾動,由于Bz長時(shí)間南向翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致大部分能量進(jìn)入磁層,使地磁場擾動增加,又導(dǎo)致強(qiáng)磁暴的發(fā)生,于27日13:00UT達(dá)到極小值-197 nT,隨后進(jìn)入磁暴恢復(fù)期.

圖2所示為sMC引起的2004年8月29日-31日強(qiáng)磁暴的典型事例.8月29日9時(shí)左右一個行星際激波被觀測到,大約1小時(shí)太陽風(fēng)從ACE衛(wèi)星處傳播到地球,行星際總磁場B在30日有顯著的變化.Bz顯示出由南向北緩慢旋轉(zhuǎn),磁云內(nèi)Bz的南向分量導(dǎo)致了磁暴主相的發(fā)生,于30日22:00UT達(dá)到極小值-126 nT,隨后進(jìn)入磁暴恢復(fù)期.

圖 1 由SH+MC引起的強(qiáng)磁暴(2004年7月26日-28日)

3 統(tǒng)計(jì)分析

通過對第23太陽活動周期間發(fā)生的90次強(qiáng)磁暴的統(tǒng)計(jì)分析,得到了強(qiáng)磁暴的不同行星際源的年分布特征. 表2給出了第23太陽活動周強(qiáng)磁暴的行星際源統(tǒng)計(jì)結(jié)果,詳細(xì)定義見表2.

從表2可以看出,強(qiáng)磁暴主要在太陽活動極大年和下降年份,在太陽活動低年出現(xiàn)次數(shù)較少.強(qiáng)磁暴在太陽活動周的分布呈三峰結(jié)構(gòu),其中第2個峰值在極大年(2001年)比中等磁暴太陽活動高年的峰值持續(xù)時(shí)間長;第3個峰值在下降年(2005年)比中等磁暴在下降年的峰值出現(xiàn)晚一年,且持續(xù)時(shí)間較長. 與中等磁暴不同的是,強(qiáng)磁暴在上升年(1998年)也有一個峰值,這與Gonzalez等人的研究成果不同[5]. Echer等人也觀測到此現(xiàn)象[8],并認(rèn)為可能跟1999年強(qiáng)磁暴發(fā)生次數(shù)異常少,使1998年凸顯出來的現(xiàn)象有關(guān),具體情況尚待對行星際和太陽活動的進(jìn)一步分析.

CIR為由冕洞發(fā)出的高速流壓縮前面低速流形成的共軛相互作用區(qū),ICME是由活動區(qū)爆發(fā)的瞬時(shí)拋射物,CIR和ICME是由兩類不同的太陽源區(qū)產(chǎn)生的. 從表2可以看出,在第23太陽活動周期內(nèi),CIR、sMC、SH+MC、SH類型的行星際擾動是主要的強(qiáng)磁暴源,NonMC和NsMC分別導(dǎo)致8次和4次強(qiáng)磁暴的產(chǎn)生. 當(dāng)ICME的速度大于當(dāng)?shù)氐拇怕暡ㄋ贂r(shí),就會產(chǎn)生行星際激波,激波與ICME之間的區(qū)域是鞘層,可以將sMC、SH+MC、SH、NsMC、NonMC這5種行星際結(jié)構(gòu)歸入ICME類. 因此,CIR、ICME和其它行星際結(jié)構(gòu)引起強(qiáng)磁暴的事件數(shù)為12次、70次、8次,引起強(qiáng)磁暴所占比例分別為13%、78%和9%. ICME引起的強(qiáng)磁暴是CIR引起的強(qiáng)磁暴的6倍,這說明活動區(qū)爆發(fā)的瞬時(shí)拋射物是引起強(qiáng)磁暴的主要行星際源. 而對于中等磁暴,CIR和ICME是兩個同等重要的太陽源.

表2 第23太陽活動周行星際源統(tǒng)計(jì)結(jié)果

將ICME引起的強(qiáng)磁暴分為磁云結(jié)構(gòu)(MC、SH+MC)和非磁云結(jié)構(gòu)(NsMC、NonMC)進(jìn)行分類,研究磁云與非磁云結(jié)構(gòu)在引起強(qiáng)磁暴中的重要作用. 從第23太陽活動周總體上看,由磁云、非磁云的ICME和鞘層分別占ICME引起強(qiáng)磁暴的51%、17%、32%. 這說明相對于非磁云結(jié)構(gòu),磁云結(jié)構(gòu)是引起強(qiáng)磁暴的主要行星際源. 這可能是磁云結(jié)構(gòu)通常具有持續(xù)時(shí)間長的Bz分量,更容易引起強(qiáng)磁暴的發(fā)生. 磁暴在太陽活動上升年期間其它行星際結(jié)構(gòu)引起的強(qiáng)磁暴次數(shù)為7次,在太陽活動下降年引起的強(qiáng)磁暴次數(shù)為1次,這說明其它行星際結(jié)構(gòu)引起的強(qiáng)磁暴事件通常發(fā)生在太陽活動上升年.

文獻(xiàn)[9]給出了第23太陽活動周不同強(qiáng)度地磁暴地基磁云及其非磁云數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果,結(jié)果表明:非磁云及其鞘層引起的地磁暴主要集中在中等水平以下,引起的強(qiáng)磁暴則很少;而磁云引起的中等磁暴水平以上的事件居多. ICME事件中磁云結(jié)構(gòu)通常引起強(qiáng)地磁暴,這與行星際南向磁場是引起地磁暴的主要原因相吻合. 將第23太陽活動周分為三類:上升年(1996-1998)、極大年(1999-2002)和下降年 (2003-2006). 這種分法考慮到上升年的時(shí)間段通常小于下降年的時(shí)間段. 圖3給出了四種主要的行星際結(jié)構(gòu)引起的地磁暴分布圖.

從圖3可以看出,太陽活動極大年引起的地磁暴次數(shù)最多,下降年次之,上升年最少.在太陽活動上升年期間,行星際SH+MC和sMC可導(dǎo)致更多的強(qiáng)磁暴發(fā)生;極大年期間,SH可導(dǎo)致更多的強(qiáng)磁暴發(fā)生,sMC次之;下降年期間,sMC可導(dǎo)致更多的強(qiáng)磁暴發(fā)生,SH次之. 這說明:在太陽活動極大年,SH是十分重要的;在上升年和下降年,sMC比SH引發(fā)更多的強(qiáng)磁暴;在極大年和下降年期間,CIR也可引起較多的強(qiáng)磁暴事件.

強(qiáng)磁暴發(fā)生時(shí),通常伴隨著電離層暴的發(fā)生而發(fā)生. 圖4給出了強(qiáng)磁暴條件下不同行星際源引起的電離層暴事件發(fā)生次數(shù),其中陰影表示單站電離層暴事件發(fā)生次數(shù). 從圖4可以看出,在強(qiáng)磁暴條件下,CIR、ICME和其它行星際結(jié)構(gòu)引起強(qiáng)磁暴的事件數(shù)為8次、58次、6次,引起電離層暴事件發(fā)生次數(shù)所占比例分別為11%、81%和8%,ICME引起的電離層暴事件是CIR引起的強(qiáng)磁暴的7倍多,這說明ICME是電離層暴事件的行星際源. 在磁云伴隨著激波發(fā)生和鞘層伴隨著磁云發(fā)生行星際擾動時(shí),電離層暴發(fā)生的概率高,只由鞘層激發(fā)的行星際擾動發(fā)生的電離層暴次數(shù)也不少,CIR類型的行星際擾動發(fā)生的電離層暴次數(shù)較少.

圖3 四種主要的行星際結(jié)構(gòu)引起的地磁暴分布圖

圖4 強(qiáng)磁暴條件下不同行星際源引起的電離層暴事件發(fā)生次數(shù)

當(dāng)放寬電離層暴事件定義時(shí),即連續(xù)6小時(shí)中有4小時(shí)df滿足30%≤df或df≤-20%定義為電離層暴事件,則這90次強(qiáng)磁暴事件都引起電離層暴的發(fā)生,這說明這些事件都引起電離層的擾動,但是因?yàn)閒oF2觀測數(shù)據(jù)缺失等原因,未能滿足電離層暴事件的發(fā)生條件. 一個可能的原因是:我國是突發(fā)E層(Sporadic E,Es)高發(fā)區(qū),黑子低年夏天常有Es層出現(xiàn),Es最高觀測頻率也出現(xiàn)在夏季;當(dāng)Es層全遮蔽現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí),觀測不到foF2值,因而不能滿足電離層暴發(fā)生的條件[10].

電離層暴形態(tài)隨經(jīng)緯度、季節(jié)的變化存在一定的分布規(guī)律. 一般來說,高緯地區(qū)主要以負(fù)相暴(電離層F2層臨界頻率的暴時(shí)值低于正常情形時(shí)的值)為主,低緯地區(qū)以正相暴為主,而中緯夏季與高緯相似以負(fù)相為主,冬季則以正相為主. 這是對大量的電離層暴進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均后所得到的電離層暴擾動形態(tài). 中緯區(qū)負(fù)暴開始時(shí)間主要分布在夜間及清晨時(shí)段,且在正午至午后時(shí)段極少發(fā)生.低緯區(qū)正暴開始時(shí)間主要發(fā)生在白天時(shí)段,且在夜間18：00～21：00LT時(shí)段也易發(fā)生正暴. 中低緯電離層正相暴平均延遲時(shí)間在10 h以內(nèi),負(fù)相暴平均延遲時(shí)間在10 h以上,且中緯區(qū)延遲時(shí)間明顯比低緯區(qū)短. 電離層暴主要產(chǎn)生機(jī)制如中性成分變化、赤道向擾動風(fēng)場、擾動發(fā)電機(jī)電場等都存在著從極區(qū)向低緯傳播的趨勢,太陽驅(qū)動的背景風(fēng)場在白天是赤道至極區(qū)方向,會與赤道向擾動風(fēng)場相互抵制,導(dǎo)致白天電離層負(fù)暴局限于較高的緯度地區(qū).與此同時(shí),兩種風(fēng)場相互作用,使得熱層抬升到分子成分相對減少的區(qū)域,離子游離復(fù)合減小,再加上白天的太陽輻射電離,其結(jié)果導(dǎo)致電離層密度增加,即正相擾動.在夜間,背景風(fēng)場則是極區(qū)至赤道方向,它與赤道向擾動風(fēng)場共同作用,使擾動中性成分能傳播到更低區(qū)域,導(dǎo)致夜間易發(fā)生負(fù)暴[11-12].

4 結(jié) 論

在第23太陽活動周內(nèi),當(dāng)IMFBz分量南向翻轉(zhuǎn)并持續(xù)較長時(shí)間時(shí),通常會引起強(qiáng)磁暴的發(fā)生,進(jìn)而引起電離層暴. 本文分析了強(qiáng)磁暴的年分布狀況以及引起強(qiáng)磁暴的不同行星際結(jié)構(gòu)在同樣活動周的分布特征,并且分析了中國地區(qū)電離層暴事件的行星際源,初步得出如下結(jié)論:

1) ICME引起的強(qiáng)磁暴是CIR引起的強(qiáng)磁暴的6倍,這說明ICME是引起強(qiáng)磁暴的主要行星際源. 在ICME中,相對于非磁云結(jié)構(gòu),磁云結(jié)構(gòu)是引起強(qiáng)磁暴的主要行星際源. 這可能是磁云結(jié)構(gòu)通常具有持續(xù)時(shí)間長的Bz分量,更容易引起強(qiáng)磁暴的發(fā)生.

2) 強(qiáng)磁暴主要在太陽活動極大年和下降年份,在太陽活動低年出現(xiàn)次數(shù)較少. 強(qiáng)磁暴在太陽活動周的分布呈三峰結(jié)構(gòu),并認(rèn)為可能跟1999年強(qiáng)磁暴發(fā)生次數(shù)異常少,使1998年凸顯出來的現(xiàn)象有關(guān).

3) ICME引起的電離層暴事件是CIR引起電離層暴的7倍多,這說明ICME是電離層暴事件的行星際源.

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陳春 (1970-)，男，河南人，博士，中國電波傳播研究所高級工程師，目前主要從事電波傳播及其電離層傳播效應(yīng)等方面的研究.

趙振維 (1965-)，男，河北人，研究員，博士，中國電波傳播研究所首席專家，主要研究興趣為電波傳播和電波環(huán)境特性等.

孫樹計(jì) (1981-)，男，河南人，博士，中國電波傳播研究所高級工程師，主要研究方向?yàn)榭臻g物理.

Analysis on the interplanetary causes of intense geomagnetic storms during solar cycle 23

CHEN Chun ZHAO Zhenwei SUN Shuji BAN Panpan WANG Baojian

(InformationCentre,ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation,Qingdao266107,China)

The interplanetary causes of 90 intense geomagnetic storms (Dst≤-100nT) and their solar dependence occurring during solar cycle 23 (1996-2006) are identified. During this solar cycle, magnetic reconnection between the southward IMF and magnetopause fields are happened when the interplanetary magnetic field was southwardly directed for long durations of time, which induces the cause of the geomagnetic storms and ionospheric storms. In addition, the relationships between ionospheric storms and the solar activity are investigated. It is found that: 1) Interplanetary coronal mass ejection (ICME) is the main cause of intense geomagnetic storms. Moreover, in the associated ICMEs, magnetic cloud ICME is more important than non magnetic cloud ICME, which is the main cause of intense geomagnetic storms. 2) We have found more storms in the maximum and declining phase than in the rising phase. There is a three peak distribution of intense geomagnetic storms, 1998, 2001-2002 and 2004-2005. The peaks at 2001-2002 and 2004-2005 correspond to the solar maximum and declining phase peaks. One possibility is that 1999could be an unusual year, with a low rate of intense geomagnetic storms. 3) ionospheric storms cau-sed by ICME are seven times more than that caused by CIR, which shows that CME is also the main cause of ionospheric storms.

geomagnetic storm; ionospheric storm; interplanetary coronal mass ejection; magnetic cloud; corotating interaction region

10.13443/j.cjors.2015122501

2015-12-25

國家自然科學(xué)基金(No.40974092)

P352.4

A

1005-0388(2016)04-0670-06

陳春, 趙振維, 孫樹計(jì), 等. 第23太陽活動周強(qiáng)磁暴行星際源的統(tǒng)計(jì)分析[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào),2016,31(4):670-675.

CHEN C, ZHAO Z W,SUN S J, et al. Analysis on the interplanetary causes of intense geomagnetic storms during solar cycle 23[J]. Chinese journal of radio science,2016,31(4):670-675. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2015122501

聯(lián)系人： 陳春 E-mail: chenchun_qaz@163.com