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新萄京娱乐网址空间中心低纬度地区电网GIC预测建模研究获进展

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  行星际激波是在行星际中传播的一种强间断,当它作用于磁层后会在地球空间中引发扰动。深入研究磁层-电离层系统对行星际激波的响应过程在空间物理学研究及空间天气预报方面均具有重要意义。

行星际激波被认为是除了地磁暴环电流之外,引起中低纬度地区电网中度和较强地磁感应电流的主要因素,但极端的行星际激波究竟会导致中低纬度地区电网的GIC风险达到何等水平,迄今为止尚未见研究。

“风”与“磁”的博弈
磁层保护地球免受太阳风直接吹袭图片来源:美国宇航局本报记者
张双虎
近年来,由于航天、通信、导航等高新科技领域和国家安全的紧迫需求,空间天气研究日益受到关注。磁层位于地球空间的最外层,太阳风与磁层的相互作用是空间天气变化因果链中承上启下的关键环节,因此成为揭示地球空间天气基本规律的关键科学课题。近年来,我国科学家在太阳风与磁层相互作用研究方面,特别是三维全球数值模拟中取得了重大进展。研发出高精度、低耗散的全球三维磁流体力学数值模型,使我国成为国际上少数拥有能自洽描述太阳风磁层电离层耦合系统数值能力的国家之一,在此基础上取得的系列创新成果也得到国际同行的好评。风与磁的未解之谜太阳风的温度非常高,其中的粒子都不会呈中性。这些带电的等离子体像风一样吹向地球,但它们在磁场中运动时只能沿着磁力线方向运动,不会横跨磁力线。因此,磁层对地球能起到保护作用。中科院空间科学与应用研究中心副主任王赤说,要不然很多高能粒子、宇宙射线会直接进入地球空间。大气成分可能就不是现在的样子了,生命将无法存在。磁层恰如一件地球抵御太阳风的外衣。太阳风吹来时,会把地球磁场前面压缩,后面拉伸,形成长长的磁尾。但一般来讲,除南、北极区外,太阳风难以进入地球的大气层形成极光。虽然大多数情况下,太阳风不能横跨地球磁力线进入地球空间,但太阳风却频频向地球磁层发起冲击。这些冲击并不是每一次都以太阳风败北告终。地球磁场的磁力线从地理南极指向地理北极,我们称其为北向。如果太阳风的磁力线正好和地球磁力线方向相反,即它是南向的,则双方会在地球磁层顶部发生磁重联。这样就形成太阳风抵达地球的通道,其能量和质量就能传入地球空间。王赤说,但太阳风传播过程中行星际磁力线怎么才能形成南向的,现在还是未解之谜。数据分析和数值模拟成为关键太阳风与磁层相互作用研究涉及太阳活动区的巨大能量和物质的突然释放,太阳风扰动在行星际空间的转播和演变,地球空间对行星际扰动的全球响应,以及地球空间环境的剧烈变化。该研究的主要内容包括太阳风的质量、动量、能量和磁通量如何传输到地球空间,以及在地球空间的传输、转化和耗散的过程。地球空间环境对行星际扰动的响应过程和变化规律,以及地球空间天气预警和预报等关键科学与应用问题。理论分析、卫星和地面观测数据的分析和数值模拟是进行太阳风与磁层相互作用研究的主要手段。磁层顶离地面5万~7万公里。太阳风磁层电离层相互作用还形成了地球空间的大尺度电流体系。主要包括弓激波电流、磁层顶电流、环电流、等离子体片电流、场向电流和电离层电流等电流系统。王赤说,地球空间时变、多成分、多自由度的关联相互作用使得传统的理论分析变得非常困难,数值模拟作为一个新的研究手段对地球空间的理论和应用研究产生了深刻影响。随着观测手段的不断丰富、观测范围的不断扩大和高性能计算能力的不断提高,数据分析和数值模拟工作逐渐成为太阳风与磁层相互作用研究的主体。我国科学家在三维全球数值模拟研究工作方面取得了重要进展。为整体数值预报奠定基础近年来,我国科学家在太阳风与磁层相互作用研究方面进展迅速,为建立空间天气端到端的整体数值预报模式奠定了基础,在地球同步轨道磁场对行星际激波的响应、弓激波向场向电流和越位电流供电的新现象等研究方面都取得了不俗的成果,并首次利用全球数值模拟再现磁层顶KH不稳定性。在双星计划和国家自然科学基金的支持下,我国科学家完成了太阳风磁层电离层系统的全球三维磁流体力学数值模式,使我国成为国际上少数拥有能自洽描述太阳风磁层电离层耦合系统数值能力的国家之一。王赤说。该模式采用二级时间精度和三级空间精度的拉格朗日坐标下的逐段抛物线方法,实现太阳风磁层的磁流体力学方程组的数值求解,通过沿地球偶极场力线的映射实现电离层和内磁层之间的电磁耦合。相关研究成果大大丰富了对太阳风与磁层相互作用领域的认识,得到国际同行的充分肯定。在2009年美国地球物理年会的帕克讲座中,美国宇航局戈达德飞行中心著名空间物理学家Len
Burlaga多次引用我国发展的模型结果。利用数值模拟,我国学者详细研究了地球磁场负反应区域的发生和发展过程,解释了这一反常现象。行星际激波与磁层相互作用的相关工作被多位同行引用。利用三维磁层数值模拟结果,研究者发现了弓激波对电离层持续供电的证据,对经典结构进行了补充和完善。在地球空间大尺度电流体系工作的相关文章发表过程中,美国《地球物理研究快报》评审员评价说:这是一个至今尚未被广泛报导的重要成果。其中一位评审员还推荐将文章作为亮点文章。利用数值模拟,我国学者首次得到了北向行星际磁场条件下的KHI,得到了磁层顶KHI非线性演化的全球图像。全球模拟中得到的磁层顶KHI时间变化和空间变化的结果是此前二维和局域三维模型都无法给出的。磁层的三维全球磁流体力学数值模型是研究太阳风和地球磁层相互作用的有效途径。王赤说,发展趋势是实现高时空分辨率的数值模拟,研究中小尺度的空间结构和短时间尺度的物理现象,引入符合实际的物理过程,开始考虑热层对电离层的影响。进一步与观测数据相结合,并开始向业务化的空间天气预报模式转化,服务于日益增长的空间天气应用和保障业务。《科学时报》
(2011-11-14 A4 基金)

  在自然科学基金委重点项目(项目批准号:41231067)的支持下,空间天气学国家重点实验室(中国科学院空间科学与应用研究中心)王赤研究员领导下的研究小组发现在行星际激波作用下地球空间磁场变化的一个独特现象。传统观点认为,行星际激波总是产生压缩效果,因而当行星际激波轰击地球时,总是会引起地球磁场的增强。然而,在某些特定区域,卫星却观测到了地球磁场减弱的现象。该研究小组就这一磁场减弱区域的产生机制、演化特性、对行星际条件的依赖性、及其造成的地球空间-地表磁场响应链现象进行深入的观测和三维数值模拟研究,系列结果发表于地球物理学研究杂志(Journal
of Geophysical Research)上。

中国科学院国家空间科学中心空间天气学国家重点实验室科研人员张佼佼等人基于自主研发的PPMLR-MHD三维磁层模型,开发建立了GIC预测模式。利用该模式,得出了2012年7月23日超强行星际激波一旦攻击地球,可能引发的低纬度地区电网中的GIC,并对GIC风险水平进行了综合评估。

  诸如日冕物质抛射等太阳活动往往会在其前方驱动一个间断面,即行星际激波。行星际激波会在很短的时间内造成太阳风参数的显著变化,太阳风动压急剧增加。当激波撞击地球磁层(即由地磁场所形成的能够阻止太阳风粒子直接进入地球空间环境的保护层)时,将会引发剧烈的扰动。

计算结果表明,该行星际激波引起的地磁突然增强(sudden
commencement,SC)幅度将达到123
nT。据统计分析,如此强大的SC,在过去147年有数据记载的SC事件中发生概率仅为0.2%。根据Marshall
et al
提出的GIC风险等级划分,研究组预测在此次激波作用下,低纬度地区电网仍处于“低”风险水平,但是,某些赤道地区电网的风险级别将会达到“高”级水平。该项研究结果对于低纬度地区电网的风险管理、规划和设计具有重要的参考意义。

  在激波的作用下,向阳面磁层磁场总是急剧增强,这一点已被多颗卫星观测证实。然而在夜侧磁层,同步轨道卫星却有时会观测到磁场的迅速下降。这与激波总是压缩磁层进而造成磁场增强的传统观点不符。

该研究工作发表在美国地球物理学会(American Geophysical Union,
AGU)的学术期刊Space Weather上,并被选为特色文章(Featured in Space
Weather)。这是该课题组主要研究方向——“GIC建模与风险评估系列工作”第二次被该期刊选为特色文章。此前,他们对低纬度地区电网GIC进行数值建模的论文也被该期刊选为Featured
Article。

  事实上在激波作用下,磁场减弱的负响应区和磁场增强的正响应区并存,这点已被卫星观测和数值模拟所证实。当激波到达晨昏子午面时,它将会往背阳方向拖拽磁力线。然而在磁张力作用下的磁力线就像一个弹力绳一样,会有一个恢复到其最初位置的趋势。因此在这一区域激发出速度涡旋。磁力线与地向的速度扰动“冻结”在一起向地球方向运动,因而造成该区域内磁场的减弱。

论文信息:

  同步轨道卫星所观测到的磁场变化取决于负响应区初始形成时的位置。如果负响应区离地球较近从而可以覆盖夜侧同步轨道,卫星将记录到磁场的迅速下降。然而如果负响应区在磁尾距离地球较远的地方,卫星将观测到磁场的增强。负响应区位置由上游太阳风动压决定。上游动压较大的行星际激波将会产生离地球较近的负响应区。

  1. Zhang, J. J., C. Wang, T. R. Sun, and Y. D. Liu , Risk assessment of
    the extreme interplanetary shock of 23 July 2012 on low-latitude power
    networks, Space Weather
    , 14, 259-270, doi:10.1002/2015SW001347.

  2. Zhang, J. J., C. Wang, T. R. Sun, C. M. Liu, and K. R. Wang , GIC
    due to storm sudden commencement in low-latitude high-voltage power
    network in China: Observation and simulation, Space Weather
    , 13,
    643-655, doi:10.1002/2015SW001263.

  根据电磁学定律,磁场负响应区和正响应区的交界处是发电机区。该发电机区产生的电流在晨侧流入电离层、昏侧流出电离层,因而产生电离层电流。该电离层电流则将进一步引起地表磁场的主相脉冲。这就形成了行星际激波作用下的磁层-地表磁场响应链现象。近期,利用自主开发的全球三维磁流体力学模型,该研究小组首次揭示了行星际(上万公里)–
地球磁层(上千公里) – 电离层 (上百公里) –
地面磁场对行星际激波链式响应的物理联系图像。

论文链接

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    图1
磁层-地表磁场响应链示意图。黑色曲线为磁层顶,绿色圆球为地球。红色和蓝色区域分别为激波作用下赤道面内磁场的正、负响应区。由负响应区产生的电流用蓝色曲线表示,该电流与电离层相连,因而产生电离层电流。电离层电流进一步引起地表磁场的变化,形成磁层-地表磁场响应链。

空间中心低纬度地区电网GIC预测建模研究获进展

 

参考文献:

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Wang, C., T. R. Sun, X. C. Guo, and J. D. Richardson, Case study of
nightside magnetospheric magnetic field response to interplanetary
shocks, J. Geophys. Res., 115,A10247, doi:10.1029/2010JA015451, 2010.

Sun, T. R., C. Wang, H. Li, and X. C. Guo, Nightside geosynchronous
magnetic field response to interplanetary shocks: Model results, J.
Geophys. Res.
, 116, A04216, doi:10.1029/2010JA016074, 2011.

Sun, T. R., C. Wang, and Y. Wang, Different Bz response regions in the
nightside magnetosphere after the arrival of an interplanetary shock:
Multipoint observations compared with MHD simulations, J. Geophys.
Res.
, 117, A05227, doi:10.1029/2011JA017303, 2012.

Sun, T. R., C. Wang, J. J. Zhang, V. Pilipenko, Y. Wang, and J. Y. Wang,
The chain response of the magnetospheric – and – ground magnetic field
to interplanetary shocks, J. Geophys. Res., 120,157–165,
doi:10.1002/2014JA020754, 2015.

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