日球电流片对行星际扰动影响的模拟研究

Coronal mass ejections (CMEs) are large-scale eruption of plasma and magnetic field from the Sun. As it it propagates from the Sun through the earth, interplanetary space is a necessary channel. Interplanetary CME (ICME) will interact with large-scale structure of solar wind during their journey, such as Heliospheric Current Sheet (HCS). This can affect the magnitude and arriving time of a ICME at 1AU. This project will consider the observation and make a improvement of our three-dimensional magnetohydrodynamic model, giving a research on the evolution of ICME’s progress in the interplanetary space arguemently, the deflection and energy transformation of a ICME with HCS are also considered. We try to find the parameters such as initial direction and velocity and mass of a ICME can how to effect the ICME’s evolution in the interplanetary space to 1AU, then we will conclude a ICME can arrive at earth or not and predict the magnitude if the ICME arrive at earth. We also compare our results with spacecraft and provide boundary conditions for space-weather forecasting near earth.

日冕物质抛射(Coronal Mass Ejection，CME)是太阳大气中频繁发生的最剧烈的爆发现象之一，行星际空间是CME吹袭地球空间的必经传输通道。行星际CME (Interplanetary CME, ICME)在传播过程中会和背景太阳风大尺度结构发生相互作用，比如日球层电流片(Heliospheric Current Sheet，HCS)，这会影响ICME到达近地空间的强度和时间等。本项目结合观测输入，改进已有的三维异步并行MHD模式，参数化研究ICME行星际传播动力学过程，包括ICME的偏转以及HCS发生的能量转换，尝试找到不同传播方向及传播速度以及ICME质量等参数对传播过程的影响，分析这些因素对于ICME能否到达地球以及ICME到达地球时的强度所产生的影响，并且与卫星观测进行比较，为近地空间预报提供上游边界条件。

磁场重联在太阳爆发活动中起着至关重要的作用，重联会改变磁场的形态，把磁能转换为动能和热能，磁云是行星际日冕物质抛射中一类典型的子集，是产生南向磁场分量引发地磁暴的主要原因，磁云内部磁场比较低，在行星际传播过程中会和日球层电流片发生磁场重联，影响磁云到达地球的时间和强度等。基于三维的时变MHD模型，在稳态的行星际背景太阳风中加入球形等离子体团来模拟磁云，当磁云撞向电流片时，会发生重联现象，当磁云靠近电流片时，等离子体团快速膨胀，因为磁云具有较高的等离子体密度，速度和磁压力。随着磁云撞向电流片，电流片变薄从而发生重联，因为磁云和太阳风磁力线反平行。重联主要发生在磁云的前端，这是驱动重联。模拟结果产生了重联的基本特征，例如穿过重联喷流区，会发现速度和磁场存在相关/反相关特征，喷流区温度增加，磁场强度减小，数密度减小等。我们改变了磁云磁场的方向，重联发生的位置也随之改变，我们得到了重联发生过程中电流片的演化形态，并且探讨了影响重联率和重联开始时间的参数，比如磁云中的磁场强度和磁场方向，速度强度和方向。发现重联率依赖于磁云的磁场强度，当磁云和电流片的相对运动速度增大时，重联率也会增加,磁云的速度方向和电流片的夹角变大时，重联率则会变小，并且磁云和电流片的相对运动速度强度会影响重联发生的时间。这些结果有助于我们理解磁云和电流片相互作用动力学过程，对于预报灾害性空间天气具有重要意义。