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4886威尼斯城官网科研人员揭示容量天气新现象及地磁暴强度上限

文章来源: | 发布时间:2020-07-03 | 【打印】【关闭】

  长期以来,容量天气界一直在寻求容量天气的“最坏情形”(the “worst-case scenario”),以用于容量天气研究和效应的基准。 就地磁暴而言,小case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。揣摩到地球偶极磁场对磁层膨胀的限制,Dst上限可修改为-2500 nT。然则,这些研究都没有揣摩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(依要紧性排序),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、100cm-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再是达到各自上限。

  图一:地球附近太阳风就地观测。I公分E-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。

  易于 ,吾们提出“完美风暴”机制以再是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,吾们进一步揭示容量天气中的一种新现象——“鞘层中的行星际日冕物质抛射”(I公分E-in-sheath)。即一个I公分E卡在下面抛射物与其激波之间,下者吾们称为“宿主抛射物”(host ejecta),见图一。I公分E-in-sheath本质上是一个完全激波过的(shocked)I公分E,经过激波和宿主抛射物的压缩,其磁场、速度、密度再是增强。由于约束在激波和宿主抛射物之间,I公分E-in-sheath将长时间保持太阳风参数增强,易于 可具有强地磁效应。图一显示,I公分E-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。

  图二:STEREO A观测到的I公分E-in-sheath(IIS)和宿主抛射物,具有超强的磁场、速度和密度。

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

  基于这一现象,吾们进一步提出地磁活动的可能上限。2012年7月23日的I公分E-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150cm-3,再是达到各自历史极限值(见图二)。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、天气效劳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。审稿人品评:“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 “I公分E-in-sheath” Phenomenon and Upper Limit for Geomagnetic Storm Activity, 2020, The Astrophysical Journal Letters, 897, L11

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

 

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