一种认证行星际日冕物质内日珥物质的方法

1.本发明涉及太阳物理和空间物理技术领域，更具体的是涉及一种认证行星际日冕物质内日珥物质的方法。


背景技术：

2.太阳稳定和均匀地向四面八方辐射的同时，在它的大气中的局部区域内，还会出现一些随时间变化的快速等离子体流。通常称这些时间和空间的局部变化的活动体为太阳活动。主要的太阳活动有黑子、耀斑、日珥爆发和日冕物质抛射等。
3.日冕物质抛射（coronal mass ejection，简称cme）是太阳大气中最剧烈的大尺度活动现象，在短时间内从日冕向外抛射出大量的等离子体和磁场进入行星际空间。
4.cme在行星际空间和其他流相互作用，产生各种扰动。特殊的行星际空间等离子体条件为等离子体的物理过程和现象的研究提供了在地面试验室难以实现的物理条件。有些cme可以到达地球附近，被称为行星际日冕物质抛射（interplanetary cme, 简称icme ），是影响地球周围的空间环境受主要的源。这些cme能影响人造卫星的运行和搭载仪器的正常工作，威胁到空间飞行器和宇航员的安全，造成地球磁层和电离层扰动，会扰乱通讯和导航，并对气候和人类活动产生影响。
5.日珥爆发也是一种重要太阳活动。日珥爆发和cme爆发往往紧密相关，超过70％的cme与日珥爆发有关，然而只在极少量的行星际日冕物质抛射（icme）内发现了日珥物质，远远少于日面观测的70%。之所以没有发现大量包含冷的日珥物质的icme，是由于对冷的日珥物质认证方法设定阈值较低所致。
6.为了能够解决行星际日冕物质抛射内日珥物质认证，深入了解cme爆发和日珥爆发的关系，需要一种简单、准确方法对行星际日冕物质抛射内地日珥物质进行认证。
7.由于日珥具有相对较低的温度和较高的密度两个基本观测特征，因此，早期确定行星际磁通量绳内日珥物质往往是利用其较低的温度、较低的离子电荷状态和较高的质子密度特征来认证。然而，由于cme通常具有强磁场，因此cme内部总体压强往往远高于外部总压，当cme离开太阳时，会迅速膨胀。如果cme有局部较低的磁场区域，其膨胀速度会比相邻部分慢。因此，较低的磁场区域可能成为一个相对较高的质子密度区域。同样地，原有的高密度区域也可以由于非均匀膨胀而消失，cme的非均匀膨胀也可以形成新的低温区域。因此，行星际磁通量绳的高密度和低温特征不能作为确定日珥物质的可靠证据。
8.但是，cme在离开太阳的过程中，由于太阳风的快速膨胀，其内部的离子电荷状态会在距太阳5个太阳半径外冻结，所以行星际磁通量绳中的离子电离态仍然可以反映其温度历史。低电离态才是识别行星际介质中日珥物质的可靠判据。先前报道的行星际磁通量绳内部的冷日珥物质也往往呈现低电离态。如lepri和zurbuchen主要用fe
4+
、c
2+
和o
2+
等的低电离态来判断行星际磁通量绳中的日珥物质。但是这个标准非常高，往往很多icme内的日珥物质被错过，这也是目前只在极少量的行星际日冕物质抛射（icme）内发现了日珥物质的原因。


技术实现要素：

9.本发明的目的在于解决目前的行星际日冕物质抛射内日珥物质无法准确认证问题，提供一种更简单、准确、可靠的认证行星际日冕物质内日珥物质的方法，通过这种方法，达到操作更加简单，认证更加准确。
10.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种认证行星际日冕物质内日珥物质的方法，包括以下步骤：在稳态太阳大气模型条件下计算重离子的各离子成份和温度的关系；结合太阳风中这些离子成份的观测，选择合适的重离子成份反常增加作为判断日珥物质的判据。
11.进一步的，所计算的重离子包括碳、镁、氧和铁的离子。
12.进一步的，所计算的重离子包括碳、氧和铁的离子。
13.进一步的，判断日珥物质的判据所选择的重离子为o
5+
和fe
6+
。
14.进一步的，o
5+
丰度大于或等于0.05时，将其定义为反常o
5+
丰度。
15.进一步的，fe
6+
丰度大于或等于0.10，就定义为反常fe
6+
丰度。
16.本发明的有益效果是：基础数据获取方便，操作过程比较简洁，认证准确性较高，具有相当的可靠性。
附图说明
17.图1是o
5+
所占氧离子比例随着温度变化的曲线。
18.图2是fe
6+
所占总铁离子比例随着温度变化的曲线。
19.图3是2005年5月19
‑
21日行星际磁通量绳。
20.图4是1998年3月4
‑
6日行星际磁通量绳。
具体实施方式
21.现在将进一步细化具体的实施方案。尽管以下描述足够详细地描述了这些实施例以使得本领域的技术人员能够实施所述实施例，但应当理解，这些实例不是限制性的，使得可以使用其它实例并且可在不脱离所述实施例的实质和范围的情况下做出相应的修改。
22.本方案体是根据稳态太阳大气模型条件下计算碳（c）、氧（o）和铁（fe）等重离子各离子成份和温度的关系，在百万度的日冕大气中，o
5+
丰度(
o5+
占总氧离子的比)和fe6+丰度(铁离子占总铁离子的比很小。因此，不同寻常高的o
5+
和fe
6+
丰度可以作为识别行星际介质中日珥物质的判据。结合太阳风中这些离子成份的观测，选择合适的重离子（o
5+
和fe
6+
）成份反常增加作为判断日珥物质的判据，并对所选判据进行随机选样分析所选判据的可靠性，结合具体事例分析验证该方法的可靠性。
23.利用dere 等建立的chianti数据库，可以计算碳、镁、铁、氧等元素在稳态太阳大气中的电荷态分布。所有的数据和程序也可以在chianti的网站上免费获得。网站的地址为（http://www.chiantidatabase.org）。
24.根据chianti的数据计算结果，图1和2给出了在稳态太阳大气中，o
5+
和fe
6+
所占各自总离子的比例随着温度变化的曲线。
25.根据chianti的数据计算结果，可以得到正常百万高温的日冕中o
5+
和fe
6+
的丰度
很低，要小于0.001。
26.如果o
5 +
的丰度大于或等于0.05，其处于的温度范围度范围是1.3
‑
3.8
×
10
5 k，如果fe
6+
的丰度大于或等于0.10，相应的太阳大气中的温度大是0.91
‑
3.2
×
10
5 k，这个温度范围远低于日冕温度，而恰好和日珥爆发温度一致。
27.因此，如果行星际介质中的o
5 +
丰度大于或等于0.05，就将其定义为反常o
5+
丰度；fe
6+
丰度大于或等于0.10，就定义为反常fe
6+
丰度。
28.为了评估反常o
5+
和fe
6+
丰度选区的阈值，随机选取1998
ꢀ‑ꢀ
2007年期间所有6月的太阳风数据进行o
5+
丰度和fe
6+
丰度的调研。调研结果显示反常的o
5+
和fe
6+
丰度几乎都出现在icme（包括行星际磁通量绳）内，只有1处在cme之外。另外，随机选取300个持续时间为30个小时的背景太阳风（没有观测到icme），在里面没有发现任何反常的o
5+
和fe
6+
丰度出现。这表明，反常的o
5+
和fe
6+
丰度通常与icme相关。因此，反常的o
5+
和fe
6+
丰度是两个简单有效的判别行星际介质内存在日珥物质的判据。在本研究报告中，o
5+
和fe
6+
的数据都来自于ace卫星上的太阳风离子组成光谱仪(swics)，时间分辨率为2个小时。
29.以2005年5月19
‑
21日行星际磁通量绳和1998年3月4
‑
6日行星际磁通量绳作为例子展示该方法确认行星际磁通量绳内日珥物质过程。
30.图3给出了2005年5月19
‑
21日磁通量绳的总磁场、gse坐标系中的磁场分量、质子密度、质子温度、质子速度、o
5+
和fe
6+
丰度。图中以fb和rb标注的两条垂直实线分别表示磁通量绳的前后边界。由图3可以看出这个事件的磁场磁场强度明显高于周围的太阳风的磁场强度：周围太阳风的磁场强度只有4nt左右，而在这个磁通量绳中心16:30ut处，磁场强度达到最大为15.2nt，即磁通量绳的最大磁场强度是周围太阳风的4倍还多。该磁场的维度角由在前边界的
‑
80度逐渐上升，在中心处达到75度左右，然后缓慢下降至
‑
45度。这说明这个磁通量绳具有非常明显的磁场旋转特征。但是，这个磁通量绳的质子密度并没有明显低于背景太阳风，反而在前边界和中间靠后的部分有所增加。前边界附近出现相对较高的密度比较容易理解，主要原因是这个行星际磁通量绳速度比前端太阳风的速度要大，在传播过程中必定会挤压前端太阳风，造成质子密度积累增强。靠近前边界部分则可能是日珥物质。至于中间靠后部分的密度增强区域，开起来像一个独立的等离子流，无论从速度分布，磁场分量变化来看，这部分都是一个整体。这个部分很可能是密度较高的磁结构，至于来源于何处，需要进一步研究，这不是本报告主要研究内容，这里不再深入研究。
31.在图3中，5月20日05:44
‑
13:45ut期间，o
5+
的丰度曲线明显有明显的增强，由0.018增加到0.224。fe
6+
的丰度曲线在对应部分也呈现明显增强，最大值达到0.098。根据上述判据，该区域被认证为冷日珥物质，并用两条垂直虚线进行标记。此外，基于图中的o
5+
丰度，可以估计该区域在太阳上的冻结温度是1.66
×
105k或3.39
×
10
5 k，fe
6+
的冻结温度是0.93
×
105k或3.24
×
105k。所以对用太阳上爆发日珥的温度可能是3.24
‑
3.39
×
105k左右。从图1还可以看出，在日珥物质存在区域，质子密度曲线有轻微的增强，而在相同位置，质子温度曲线也有轻微的增强。此外，最低的质子温度位置和最高的质子密度位置也都在日珥物质区域之外。这些观测结果也表明，高密度和低温特征对日珥物质的认证是不可靠的。
32.图4给出了1998年3月4
‑
6日期间的磁场、等离子体、o
5+
和fe
6+
丰度。该事件具有典型的磁通量绳特征：磁场矢量的平稳旋转，总的磁场强度明显增强。该事件速度曲线前高后低，表明它仍在膨胀。从图4中可以发现o
5+
和fe
6+
丰度曲线在后边界前都有明显增强，o
5+
丰
度的最大值为0.062，对应的冻结温度约为1.35
×
105k或3.38
×
105k。fe
6+
丰度在此区间的最大值为0.266，它对应的冻结温度约为1.03
×
105k或2.74
×
105k。它们的冻结温度与日珥喷爆发温度也非常一致。此外，质子密度曲线在1998年3月5日ut 20:14至3月6日02:30之间也有明显的增强，质子密度从5个每立方厘米增加到60个每立方厘米。从磁场分量曲线也可以看出，三个磁分量都在高密度区域有明显波动。这可能意味着这个区域和其他部分具有不同的源。综上所述，这一高密度区域也是日珥物质存在区域。
33.用该方法检查了1998到2007年的70个行星际磁通量绳，发现27个磁通量绳内存在日珥物质，比例将近40%，实现了行星际磁通量绳内日珥物质的大量探测，比起以前只在极少量的行星际日冕物质抛射内发现了日珥物质有了较大进步，该方法简单、可靠，对行星际日冕物质抛射内日珥物质的研究具有重要作用。
34.对于本领域技术人员而言显而易见的是，在上述教导内容的基础，还能够进行一定的修改、组合和以及变型。