English Version 联系我们  
   
        首 页 实验室概况 学术梯队 科学研究 合作交流 人才培养 资源中心 实验室建设
  首页 -> 实验室新闻 -> 2020 -> 实验室科研人员揭示空间天气新现象及地磁暴强度上限


实验室科研人员揭示空间天气新现象及地磁暴强度上限

2020年07月07日

长期以来,空间天气界一直在寻求空间天气的“最坏情形”(the “worst-case scenario”),以用于空间天气研究和效应的基准。就地磁暴而言,问题归结为Dst指数的极限值。从理论角度,完全消除地磁场需要Dst约为-31000 nT,现实中远远无法实现。考虑到地球偶极磁场对磁层膨胀的限制,Dst上限可修改为-2500 nT。然而,这些研究都没有考虑太阳风——作为地磁暴的外部驱动——能够达到什么极限。

与此相关的三个太阳风参数为南向磁场、速度、密度(依重要性排序),它们关系着太阳风能量进入磁层的效率和对磁层的压缩程度。半个多世纪的太阳风就地测量表明,2000 km/s、100 nT、100 cm-3可分别作为地球附近的太阳风速度、磁场和密度的参考上限。显然,地磁暴“最坏情形”取决于这三个参数如何同时达到各自上限。

图1:地球附近太阳风就地观测。ICME-in-sheath(IIS)位于宿主抛射物(host ejecta)的鞘层中,具有增强的磁场、速度、密度。

为此,我们提出“完美风暴”机制以同时增强这些太阳风参数(Liu et al. 2014, NatCo, 5, 3481)。而作为“完美风暴”的特例,我们进一步揭示空间天气中的一种新现象---“鞘层中的行星际日冕物质抛射”(ICME-in-sheath)。即一个ICME卡在后面抛射物与其激波之间,后者我们称为“宿主抛射物”(host ejecta),见图1。ICME-in-sheath本质上是一个完全激波过的(shocked)ICME,经过激波和宿主抛射物的压缩,其磁场、速度、密度同时增强。由于约束在激波和宿主抛射物之间,ICME-in-sheath将长时间保持太阳风参数增强,因此可具有强地磁效应。图1显示,ICME-in-sheath中磁场强度平均达到44多nT,尽管南向磁场持续时间很短,但却引起了Dst为-221 nT的大磁暴。

图2:STEREO A观测到的ICME-in-sheath(IIS)和宿主抛射物,具有超强的磁场、速度和密度。

我们结合遥感和就地观测,鉴定出多个事例,发现ICME-in-sheath的典型特征为:持续时间相对较短,1 AU处为几个小时;内部磁场和其他参数可保持长时间增强;典型ICME特征经常缺失。宿主抛射物可为单一ICME或复合抛射物。这些结果澄清了以前把ICME-in-sheath作为正常鞘层区域的误解。预计ICME-in-sheath是一种常见现象,特别是在太阳活动高峰。考虑到它的物理特性,其地磁有效性将高于典型的ICME、鞘层等。

基于这一现象,我们进一步提出地磁活动的可能上限。2012年7月23日的ICME-in-sheath与太阳风预调效应结合(Liu et al. 2014, NatCo, 5, 3481),产生的速度为2000多km/s,磁场110 nT,密度近150 cm-3,同时达到各自历史极限值(见图2)。这很可能是1 AU处最强的太阳风驱动。计算表明,磁层顶可被压缩至离地心3.3地球半径处,远远低于地球同步轨道(6.6地球半径),大量通讯、导航、定位、天气服务等卫星将失去磁层保护,受到太阳风和高能粒子的直接攻击。原则上,地磁暴Dst指数可达到-2000 nT。相比之下,1859年的卡林顿风暴仅为-850 nT,而太空时代以来最强的地磁暴(1989年3月)仅为-589 nT!

论文发表于The Astrophysical Journal Letters,第一/通讯作者为刘颍研究员。审稿人评价:“I enjoyed very much reading this interesting paper … The manuscript provides a novel perspective on the phenomenon of IIS, presenting a relevant discussion on the typical characteristic of IIS events at 1 AU, and estimates of the upper-limit intensity of geomagnetic storm …”

Citation:

Ying D. Liu*#, Chong Chen, and Xiaowei Zhao, Characteristics and Importance of “ICME-in-sheath” Phenomenon and Upper Limit for Geomagnetic Storm Activity, 2020, The Astrophysical Journal Letters, 897, L11

(https://doi.org/10.3847/2041-8213/ab9d25)



 

   网页版权所有:空间天气学国家重点实验室    

   备案序号:京ICP备05061203号-12 京ICP备05061203号-28