第23太阳活动周强磁暴行星际源的统计分析
2016-12-14陈春赵振维孙树计班盼盼王保健
陈春 赵振维 孙树计 班盼盼 王保健
(中国电波传播研究所,青岛 266107)
第23太阳活动周强磁暴行星际源的统计分析
陈春 赵振维 孙树计 班盼盼 王保健
(中国电波传播研究所,青岛 266107)
统计了第23太阳活动周(1996-2006)发生的90次强地磁暴(Dst≤-100 nT)的行星际源. 在第23太阳活动周内,当行星际磁场(Interplanetary Magnetic Field,IMF)Bz分量南向翻转并持续较长时间时,通常会引起强磁暴的发生,进而引起电离层暴. 文中分析了强磁暴的年分布状况以及引起强磁暴的不同行星际结构在同样活动周的分布特征,并且分析了中国地区电离层暴事件的行星际源. 统计结果显示,1) 行星际日冕物质抛射(Interplanetary Coronal Mass Ejection,ICME)是引起强磁暴的主要行星际源. 在ICME中,相对于非磁云结构,磁云结构是引起强磁暴的主要行星际源. 2) 强磁暴主要在太阳活动极大年和下降年份,在太阳活动低年出现次数较少. 强磁暴在太阳活动周的分布呈三峰结构,并认为可能跟1999年强磁暴发生次数异常少,使1998年凸显出来的现象有关. 3) ICME引起的电离层暴事件是共轭作用区(Corotating Interaction Region,CIR)引起电离层暴的7倍多,这说明ICME也是电离层暴事件的行星际源.
地磁暴;电离层暴;行星际日冕物质抛射;磁云;共轭作用区
DOI 10.13443/j.cjors.2015122501
引 言
太阳风-磁层-电离层的相互作用是一个多尺度耦合的复杂系统.地磁活动与太阳活动密切相关,引起磁暴和电离层暴的源是太阳. 地球磁层是太阳风和近地空间的过渡区,太阳风不停地向磁层输运能量,经过在磁层内的转换和传输,行星际磁场(Interplanetary Magnetic Field,IMF)Bz南向时, 与地球磁场发生重联, 有利于太阳风中的物质和能量进入磁层,维持着大尺度的磁层对流,进而通过与电离层、热层的耦合来影响近地环境.
日冕物质抛射(Coronal Mass Ejection,CME)喷发出的等离子体云若对着地球方向传播,经过1-4天会到达地球,与地球磁场相互作用;同时,当快速日冕物质抛射穿过太阳风时,会加速其中的离子,使之成为强度高且持续时间长的高能离子源,是引起太阳风和强磁暴的主要源泉. 对地日冕物质抛射在行星际空间传播形成的磁云可直接撞击地球的磁场,其强大的速度和可长期维持的强南向磁场使磁云(Magnetic Cloud,MC)与地磁场有效地相互作用,产生强烈的地磁暴. 例如,2003年10月28日发生对地日冕物质抛射,该事件19小时后引起强烈的地磁暴. 扰动的太阳风与地球磁层等离子体相互作用使得全球电离层F层电子密度发生剧烈变化,这称为电离层暴. 电离层暴往往涉及全球范围,当发生电离层暴时,高、中、低纬地区电离层电子密度的变化形态差别很大. 一般地说,电离层暴时,高纬度地区F层的电子密度是减少的,即电离层负暴;反之,则称为电离层正暴.有时候一次电离层暴过程中会有正、负相暴交替出现的情况,即所谓双相暴. 以上三种情况统称为电离层暴事件,通常延续一到三天左右.
根据Dst峰值的不同,将地磁暴分为-100 nT
利用1996-2006年根据Dst指数确定的磁暴(Dst≤-100 nT)数据、行星际磁场和电离层观测数据,分析强磁暴的年分布状况以及引起强磁暴和电离层暴的不同行星际结构的分布特征,对过去的统计结果做验证和补充.
1 数据来源
所用来源于ACE卫星和WIND卫星的太阳风观测数据( http://omniweb.gsfc.nasa.gov/)、地磁Dst数据(http://magbase.rssi.ru/DSTINDEX/download. html)、太阳黑子数据(http://sidc.oma.be/sunspot-data/). 选用的foF2数据来自于满洲里、长春、乌鲁木齐、北京、兰州、重庆、广州和海口八个电波观测站的观测数据,取每小时一个数据点. 各台站的经度、纬度坐标见表1.
表1 探测台站的经纬度
根据foF2的相对偏差df,将电离层暴事件定义为连续6小时中有5小时df满足:
30%≤df或df≤-20%.
df>0时称为正相扰动,df<0时称为负相扰动.
foF2相对偏差df的计算方法为:
(1)
式中:foF2为电离层foF2观测值,MHz;foF2m为相应时刻电离层foF2的月中值,MHz.
2 典型事件分析
根据引起磁暴的行星际结构的不同,将行星际源分为7类:共轭相互作用区(CIR)、鞘层(SH)、由激波引起的磁云(A MC with a shock, sMC)、非磁云结构的行星际日冕物质抛射(Any ICME that does not follow the MC crietria, NonMC)、磁云结构的行星际日冕物质抛射(A MC with no shock, NsMC)、鞘层+磁云(SH+MC)以及其它结构(包括复杂抛射物等),对第23太阳活动周发生的90次强磁暴的行星际源进行了分析.
下面通过对2个不同类型行星际源事件的分析,说明引起强磁暴的不同行星际结构的主要特点.
图1所示为SH+MC引起的2004年7月26日-27日强磁暴的典型事例,26日22:00UT左右观测到激波,鞘层区域内Bz分量在南北方向上大幅度扰动,随后Bz出现长时间南向翻转,导致Dst指数出现扰动,由于Bz长时间南向翻转导致大部分能量进入磁层,使地磁场扰动增加,又导致强磁暴的发生,于27日13:00UT达到极小值-197 nT,随后进入磁暴恢复期.
图2所示为sMC引起的2004年8月29日-31日强磁暴的典型事例.8月29日9时左右一个行星际激波被观测到,大约1小时太阳风从ACE卫星处传播到地球,行星际总磁场B在30日有显著的变化.Bz显示出由南向北缓慢旋转,磁云内Bz的南向分量导致了磁暴主相的发生,于30日22:00UT达到极小值-126 nT,随后进入磁暴恢复期.
图 1 由SH+MC引起的强磁暴(2004年7月26日-28日)
3 统计分析
通过对第23太阳活动周期间发生的90次强磁暴的统计分析,得到了强磁暴的不同行星际源的年分布特征. 表2给出了第23太阳活动周强磁暴的行星际源统计结果,详细定义见表2.
从表2可以看出,强磁暴主要在太阳活动极大年和下降年份,在太阳活动低年出现次数较少.强磁暴在太阳活动周的分布呈三峰结构,其中第2个峰值在极大年(2001年)比中等磁暴太阳活动高年的峰值持续时间长;第3个峰值在下降年(2005年)比中等磁暴在下降年的峰值出现晚一年,且持续时间较长. 与中等磁暴不同的是,强磁暴在上升年(1998年)也有一个峰值,这与Gonzalez等人的研究成果不同[5]. Echer等人也观测到此现象[8],并认为可能跟1999年强磁暴发生次数异常少,使1998年凸显出来的现象有关,具体情况尚待对行星际和太阳活动的进一步分析.
CIR为由冕洞发出的高速流压缩前面低速流形成的共轭相互作用区,ICME是由活动区爆发的瞬时抛射物,CIR和ICME是由两类不同的太阳源区产生的. 从表2可以看出,在第23太阳活动周期内,CIR、sMC、SH+MC、SH类型的行星际扰动是主要的强磁暴源,NonMC和NsMC分别导致8次和4次强磁暴的产生. 当ICME的速度大于当地的磁声波速时,就会产生行星际激波,激波与ICME之间的区域是鞘层,可以将sMC、SH+MC、SH、NsMC、NonMC这5种行星际结构归入ICME类. 因此,CIR、ICME和其它行星际结构引起强磁暴的事件数为12次、70次、8次,引起强磁暴所占比例分别为13%、78%和9%. ICME引起的强磁暴是CIR引起的强磁暴的6倍,这说明活动区爆发的瞬时抛射物是引起强磁暴的主要行星际源. 而对于中等磁暴,CIR和ICME是两个同等重要的太阳源.
表2 第23太阳活动周行星际源统计结果
将ICME引起的强磁暴分为磁云结构(MC、SH+MC)和非磁云结构(NsMC、NonMC)进行分类,研究磁云与非磁云结构在引起强磁暴中的重要作用. 从第23太阳活动周总体上看,由磁云、非磁云的ICME和鞘层分别占ICME引起强磁暴的51%、17%、32%. 这说明相对于非磁云结构,磁云结构是引起强磁暴的主要行星际源. 这可能是磁云结构通常具有持续时间长的Bz分量,更容易引起强磁暴的发生. 磁暴在太阳活动上升年期间其它行星际结构引起的强磁暴次数为7次,在太阳活动下降年引起的强磁暴次数为1次,这说明其它行星际结构引起的强磁暴事件通常发生在太阳活动上升年.
文献[9]给出了第23太阳活动周不同强度地磁暴地基磁云及其非磁云数统计结果,结果表明:非磁云及其鞘层引起的地磁暴主要集中在中等水平以下,引起的强磁暴则很少;而磁云引起的中等磁暴水平以上的事件居多. ICME事件中磁云结构通常引起强地磁暴,这与行星际南向磁场是引起地磁暴的主要原因相吻合. 将第23太阳活动周分为三类:上升年(1996-1998)、极大年(1999-2002)和下降年 (2003-2006). 这种分法考虑到上升年的时间段通常小于下降年的时间段. 图3给出了四种主要的行星际结构引起的地磁暴分布图.
从图3可以看出,太阳活动极大年引起的地磁暴次数最多,下降年次之,上升年最少.在太阳活动上升年期间,行星际SH+MC和sMC可导致更多的强磁暴发生;极大年期间,SH可导致更多的强磁暴发生,sMC次之;下降年期间,sMC可导致更多的强磁暴发生,SH次之. 这说明:在太阳活动极大年,SH是十分重要的;在上升年和下降年,sMC比SH引发更多的强磁暴;在极大年和下降年期间,CIR也可引起较多的强磁暴事件.
强磁暴发生时,通常伴随着电离层暴的发生而发生. 图4给出了强磁暴条件下不同行星际源引起的电离层暴事件发生次数,其中阴影表示单站电离层暴事件发生次数. 从图4可以看出,在强磁暴条件下,CIR、ICME和其它行星际结构引起强磁暴的事件数为8次、58次、6次,引起电离层暴事件发生次数所占比例分别为11%、81%和8%,ICME引起的电离层暴事件是CIR引起的强磁暴的7倍多,这说明ICME是电离层暴事件的行星际源. 在磁云伴随着激波发生和鞘层伴随着磁云发生行星际扰动时,电离层暴发生的概率高,只由鞘层激发的行星际扰动发生的电离层暴次数也不少,CIR类型的行星际扰动发生的电离层暴次数较少.
图3 四种主要的行星际结构引起的地磁暴分布图
图4 强磁暴条件下不同行星际源引起的电离层暴事件发生次数
当放宽电离层暴事件定义时,即连续6小时中有4小时df满足30%≤df或df≤-20%定义为电离层暴事件,则这90次强磁暴事件都引起电离层暴的发生,这说明这些事件都引起电离层的扰动,但是因为foF2观测数据缺失等原因,未能满足电离层暴事件的发生条件. 一个可能的原因是:我国是突发E层(Sporadic E,Es)高发区,黑子低年夏天常有Es层出现,Es最高观测频率也出现在夏季;当Es层全遮蔽现象出现时,观测不到foF2值,因而不能满足电离层暴发生的条件[10].
电离层暴形态随经纬度、季节的变化存在一定的分布规律. 一般来说,高纬地区主要以负相暴(电离层F2层临界频率的暴时值低于正常情形时的值)为主,低纬地区以正相暴为主,而中纬夏季与高纬相似以负相为主,冬季则以正相为主. 这是对大量的电离层暴进行统计平均后所得到的电离层暴扰动形态. 中纬区负暴开始时间主要分布在夜间及清晨时段,且在正午至午后时段极少发生.低纬区正暴开始时间主要发生在白天时段,且在夜间18：00～21：00LT时段也易发生正暴. 中低纬电离层正相暴平均延迟时间在10 h以内,负相暴平均延迟时间在10 h以上,且中纬区延迟时间明显比低纬区短. 电离层暴主要产生机制如中性成分变化、赤道向扰动风场、扰动发电机电场等都存在着从极区向低纬传播的趋势,太阳驱动的背景风场在白天是赤道至极区方向,会与赤道向扰动风场相互抵制,导致白天电离层负暴局限于较高的纬度地区.与此同时,两种风场相互作用,使得热层抬升到分子成分相对减少的区域,离子游离复合减小,再加上白天的太阳辐射电离,其结果导致电离层密度增加,即正相扰动.在夜间,背景风场则是极区至赤道方向,它与赤道向扰动风场共同作用,使扰动中性成分能传播到更低区域,导致夜间易发生负暴[11-12].
4 结 论
在第23太阳活动周内,当IMFBz分量南向翻转并持续较长时间时,通常会引起强磁暴的发生,进而引起电离层暴. 本文分析了强磁暴的年分布状况以及引起强磁暴的不同行星际结构在同样活动周的分布特征,并且分析了中国地区电离层暴事件的行星际源,初步得出如下结论:
1) ICME引起的强磁暴是CIR引起的强磁暴的6倍,这说明ICME是引起强磁暴的主要行星际源. 在ICME中,相对于非磁云结构,磁云结构是引起强磁暴的主要行星际源. 这可能是磁云结构通常具有持续时间长的Bz分量,更容易引起强磁暴的发生.
2) 强磁暴主要在太阳活动极大年和下降年份,在太阳活动低年出现次数较少. 强磁暴在太阳活动周的分布呈三峰结构,并认为可能跟1999年强磁暴发生次数异常少,使1998年凸显出来的现象有关.
3) ICME引起的电离层暴事件是CIR引起电离层暴的7倍多,这说明ICME是电离层暴事件的行星际源.
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陈春 (1970-)，男，河南人，博士，中国电波传播研究所高级工程师，目前主要从事电波传播及其电离层传播效应等方面的研究.
赵振维 (1965-)，男，河北人，研究员，博士，中国电波传播研究所首席专家，主要研究兴趣为电波传播和电波环境特性等.
孙树计 (1981-)，男，河南人，博士，中国电波传播研究所高级工程师，主要研究方向为空间物理.
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
国家自然科学基金(No.40974092)
P352.4
A
1005-0388(2016)04-0670-06
陈春, 赵振维, 孙树计, 等. 第23太阳活动周强磁暴行星际源的统计分析[J]. 电波科学学报,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
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