第23太陽活動周強磁暴行星際源的統計分析

陳春 趙振維 孫樹計 班盼盼 王保健

(中國電波傳播研究所,青島 266107)

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第23太陽活動周強磁暴行星際源的統計分析

陳春 趙振維 孫樹計 班盼盼 王保健

(中國電波傳播研究所,青島 266107)

統計了第23太陽活動周(1996-2006)發生的90次強地磁暴(Dst≤-100 nT)的行星際源. 在第23太陽活動周內,當行星際磁場(Interplanetary Magnetic Field,IMF)Bz分量南向翻轉并持續較長時間時,通常會引起強磁暴的發生,進而引起電離層暴. 文中分析了強磁暴的年分布狀況以及引起強磁暴的不同行星際結構在同樣活動周的分布特征,并且分析了中國地區電離層暴事件的行星際源. 統計結果顯示,1) 行星際日冕物質拋射(Interplanetary Coronal Mass Ejection,ICME)是引起強磁暴的主要行星際源. 在ICME中,相對于非磁云結構,磁云結構是引起強磁暴的主要行星際源. 2) 強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次數較少. 強磁暴在太陽活動周的分布呈三峰結構,并認為可能跟1999年強磁暴發生次數異常少,使1998年凸顯出來的現象有關. 3) ICME引起的電離層暴事件是共軛作用區(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;行星際日冕物質拋射;磁云;共軛作用區

DOI 10.13443/j.cjors.2015122501

引 言

太陽風-磁層-電離層的相互作用是一個多尺度耦合的復雜系統.地磁活動與太陽活動密切相關,引起磁暴和電離層暴的源是太陽. 地球磁層是太陽風和近地空間的過渡區,太陽風不停地向磁層輸運能量,經過在磁層內的轉換和傳輸,行星際磁場(Interplanetary Magnetic Field,IMF)Bz南向時, 與地球磁場發生重聯, 有利于太陽風中的物質和能量進入磁層,維持著大尺度的磁層對流,進而通過與電離層、熱層的耦合來影響近地環境.

日冕物質拋射(Coronal Mass Ejection,CME)噴發出的等離子體云若對著地球方向傳播,經過1-4天會到達地球,與地球磁場相互作用;同時,當快速日冕物質拋射穿過太陽風時,會加速其中的離子,使之成為強度高且持續時間長的高能離子源,是引起太陽風和強磁暴的主要源泉. 對地日冕物質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,其強大的速度和可長期維持的強南向磁場使磁云(Magnetic Cloud,MC)與地磁場有效地相互作用,產生強烈的地磁暴. 例如,2003年10月28日發生對地日冕物質拋射,該事件19小時后引起強烈的地磁暴. 擾動的太陽風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,當發生電離層暴時,高、中、低緯地區電離層電子密度的變化形態差別很大. 一般地說,電離層暴時,高緯度地區F層的電子密度是減少的,即電離層負暴;反之,則稱為電離層正暴.有時候一次電離層暴過程中會有正、負相暴交替出現的情況,即所謂雙相暴. 以上三種情況統稱為電離層暴事件,通常延續一到三天左右.

根據Dst峰值的不同,將地磁暴分為-100 nT-30 nT作為磁暴事件的結束標志. 據統計,行星際總磁場Bs>10 nT且持續時間T≥3 h更易引起電離層暴的發生[3]. 大量研究表明[4-6]:行星際日冕物質拋射(Interplanetary Coronal Mass Ejection,ICME)以及冕洞高速流壓縮前面低速流形成的共轉相互作用區(Corotating Interaction Region,CIR)是引起磁暴的主要行星際源,其中ICME包括磁云,即具有強的磁場強度、低的質子溫度、磁場Bz方向由北向南或由南向北單調緩慢旋轉、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雜拋射物(尤其是多個磁云相互作用形成的多重磁云結構). SH、MC、SH+MC、CIR這4種行星際結構是引起強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Dst指數確定的磁暴(Dst≤-100 nT)數據、行星際磁場和電離層觀測數據,分析強磁暴的年分布狀況以及引起強磁暴和電離層暴的不同行星際結構的分布特征,對過去的統計結果做驗證和補充.

1 數據來源

所用來源于ACE衛星和WIND衛星的太陽風觀測數據( http://omniweb.gsfc.nasa.gov/)、地磁Dst數據(http://magbase.rssi.ru/DSTINDEX/download. html)、太陽黑子數據(http://sidc.oma.be/sunspot-data/). 選用的foF2數據來自于滿洲里、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據,取每小時一個數據點. 各臺站的經度、緯度坐標見表1.

表1 探測臺站的經緯度

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

30%≤df或df≤-20%.

df>0時稱為正相擾動,df<0時稱為負相擾動.

foF2相對偏差df的計算方法為:

(1)

式中:foF2為電離層foF2觀測值,MHz;foF2m為相應時刻電離層foF2的月中值,MHz.

2 典型事件分析

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

下面通過對2個不同類型行星際源事件的分析,說明引起強磁暴的不同行星際結構的主要特點.

圖1所示為SH+MC引起的2004年7月26日-27日強磁暴的典型事例,26日22:00UT左右觀測到激波,鞘層區域內Bz分量在南北方向上大幅度擾動,隨后Bz出現長時間南向翻轉,導致Dst指數出現擾動,由于Bz長時間南向翻轉導致大部分能量進入磁層,使地磁場擾動增加,又導致強磁暴的發生,于27日13:00UT達到極小值-197 nT,隨后進入磁暴恢復期.

圖2所示為sMC引起的2004年8月29日-31日強磁暴的典型事例.8月29日9時左右一個行星際激波被觀測到,大約1小時太陽風從ACE衛星處傳播到地球,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,磁云內Bz的南向分量導致了磁暴主相的發生,于30日22:00UT達到極小值-126 nT,隨后進入磁暴恢復期.

圖 1 由SH+MC引起的強磁暴(2004年7月26日-28日)

3 統計分析

通過對第23太陽活動周期間發生的90次強磁暴的統計分析,得到了強磁暴的不同行星際源的年分布特征. 表2給出了第23太陽活動周強磁暴的行星際源統計結果,詳細定義見表2.

從表2可以看出,強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次數較少.強磁暴在太陽活動周的分布呈三峰結構,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時間長;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晚一年,且持續時間較長. 與中等磁暴不同的是,強磁暴在上升年(1998年)也有一個峰值,這與Gonzalez等人的研究成果不同[5]. Echer等人也觀測到此現象[8],并認為可能跟1999年強磁暴發生次數異常少,使1998年凸顯出來的現象有關,具體情況尚待對行星際和太陽活動的進一步分析.

CIR為由冕洞發出的高速流壓縮前面低速流形成的共軛相互作用區,ICME是由活動區爆發的瞬時拋射物,CIR和ICME是由兩類不同的太陽源區產生的. 從表2可以看出,在第23太陽活動周期內,CIR、sMC、SH+MC、SH類型的行星際擾動是主要的強磁暴源,NonMC和NsMC分別導致8次和4次強磁暴的產生. 當ICME的速度大于當地的磁聲波速時,就會產生行星際激波,激波與ICME之間的區域是鞘層,可以將sMC、SH+MC、SH、NsMC、NonMC這5種行星際結構歸入ICME類. 因此,CIR、ICME和其它行星際結構引起強磁暴的事件數為12次、70次、8次,引起強磁暴所占比例分別為13%、78%和9%. ICME引起的強磁暴是CIR引起的強磁暴的6倍,這說明活動區爆發的瞬時拋射物是引起強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計結果

將ICME引起的強磁暴分為磁云結構(MC、SH+MC)和非磁云結構(NsMC、NonMC)進行分類,研究磁云與非磁云結構在引起強磁暴中的重要作用. 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引起強磁暴的51%、17%、32%. 這說明相對于非磁云結構,磁云結構是引起強磁暴的主要行星際源. 這可能是磁云結構通常具有持續時間長的Bz分量,更容易引起強磁暴的發生. 磁暴在太陽活動上升年期間其它行星際結構引起的強磁暴次數為7次,在太陽活動下降年引起的強磁暴次數為1次,這說明其它行星際結構引起的強磁暴事件通常發生在太陽活動上升年.

文獻[9]給出了第23太陽活動周不同強度地磁暴地基磁云及其非磁云數統計結果,結果表明: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事件中磁云結構通常引起強地磁暴,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間段通常小于下降年的時間段. 圖3給出了四種主要的行星際結構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可導致更多的強磁暴發生;極大年期間,SH可導致更多的強磁暴發生,sMC次之;下降年期間,sMC可導致更多的強磁暴發生,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引發更多的強磁暴;在極大年和下降年期間,CIR也可引起較多的強磁暴事件.

強磁暴發生時,通常伴隨著電離層暴的發生而發生. 圖4給出了強磁暴條件下不同行星際源引起的電離層暴事件發生次數,其中陰影表示單站電離層暴事件發生次數. 從圖4可以看出,在強磁暴條件下,CIR、ICME和其它行星際結構引起強磁暴的事件數為8次、58次、6次,引起電離層暴事件發生次數所占比例分別為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生和鞘層伴隨著磁云發生行星際擾動時,電離層暴發生的概率高,只由鞘層激發的行星際擾動發生的電離層暴次數也不少,CIR類型的行星際擾動發生的電離層暴次數較少.

圖3 四種主要的行星際結構引起的地磁暴分布圖

圖4 強磁暴條件下不同行星際源引起的電離層暴事件發生次數

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

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

4 結 論

在第23太陽活動周內,當IMFBz分量南向翻轉并持續較長時間時,通常會引起強磁暴的發生,進而引起電離層暴. 本文分析了強磁暴的年分布狀況以及引起強磁暴的不同行星際結構在同樣活動周的分布特征,并且分析了中國地區電離層暴事件的行星際源,初步得出如下結論:

1) ICME引起的強磁暴是CIR引起的強磁暴的6倍,這說明ICME是引起強磁暴的主要行星際源. 在ICME中,相對于非磁云結構,磁云結構是引起強磁暴的主要行星際源. 這可能是磁云結構通常具有持續時間長的Bz分量,更容易引起強磁暴的發生.

2) 強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次數較少. 強磁暴在太陽活動周的分布呈三峰結構,并認為可能跟1999年強磁暴發生次數異常少,使1998年凸顯出來的現象有關.

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境特性等.

孫樹計 (1981-)，男，河南人，博士，中國電波傳播研究所高級工程師，主要研究方向為空間物理.

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

國家自然科學基金(No.40974092)

P352.4

A

1005-0388(2016)04-0670-06

陳春, 趙振維, 孫樹計, 等. 第23太陽活動周強磁暴行星際源的統計分析[J]. 電波科學學報,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

聯系人： 陳春 E-mail: chenchun_qaz@163.com