评论文章

前面。阿斯特朗。空间科学。,20January 2022
秒。空间物理
卷8 - 2021 | https://doi.org/10.3389/fspas.2021.786308

用户指南磁连通空间天气系统:一个简短的回顾

杰森·m·h·比德尔 ^1、2*^__,

克里斯托弗·e·Rura ^1、2 ^__,

大卫·g·辛普森 ^1、2 ^__,

黑尔科恩。 ¹,

Valmir p·莫拉球场 ^1、2和

瓦迪姆·m·Uritsky ^1、2

¹美国天主教大学物理系,华盛顿特区,美国
²美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心,绿地,马里兰州,美国

本文提供了一个简洁的评论的主要物理结构和过程参与太空天气的互连系统,强调所发挥的关键作用磁场拓扑结构和连接。审查涉及太阳能驱动空间天气的活动,日球环境,和磁性层的响应,是为了解决日益增长的现代空间天气的跨学科观众感兴趣的应用方面的研究和预测。评审论文的结构包括基本事实空间天气子系统和特别关注极端空间天气事件与主要的太阳耀斑,大的日冕物质抛射,太阳高能粒子事件,而且强烈地磁扰动和电离层的足迹。本文的目标是第一步了解磁连通空间天气系统对个人新领域的空间天气有兴趣的基础空间天气系统和它如何影响我们的日常生活。

1介绍

空间天气越来越危害我们的技术和社会。严重和中档空间天气事件可以干扰卫星通信和导航系统,损害配电系统,使宇航员的辐射环境,并导致一系列其他不利影响空间和地面上。理解这些事件的物理机制已成为国家优先考虑的主要科学目标之间的空间机构和许多最近和即将到来的卫星任务(Knipp甘农,2019)。

空间天气过程的主要驱动力在我们的行星系统,太阳,积累和释放它的免费磁能在复杂的一系列事件引导和磁的连通性和拓扑控制的物理区域,包括太阳大气的不同层次,日球周围地区,行星不但和电离层。磁场拓扑结构以及水平速度流在太阳的光球层,定义了自由能注入低日冕。日冕磁场的几何控制能量储存和释放是一个关键因素在冠状结构(Antiochos 1998)。突然改变的日冕磁连接驱动器的一些最暴力事件等太阳耀斑,日冕物质抛射,日珥喷发。伴随这些磁场重联过程被认为是负责免费磁能转换存储在潜势日冕磁状态配置成批量等离子体运动,加热、粒子加速,电磁发射。

磁性连接继续扮演着至关重要的角色,magnetically-driven喷发驱逐等离子体从太阳到日球层(见如刘(2020)和引用)。形态学和等离子体条件的行星际日冕物质抛射,太阳风冲击和co-rotating交互等不连续区域,高能粒子事件和等离子体不稳定导致太阳风湍流和波的几何形状影响环境的行星际磁场和本地连接迁移磁结构(布鲁诺,2019)。太阳风的交互结构由太阳和行星不但日冕喷发,导致包括地球的磁气圈,由磁定义连接的几个关键等离子层控制的交互,包括磁电流片使太阳风能量进入磁层磁场重联的光面,和磁尾等离子体表释放这种能量通过阴面重新连接。当地等离子体不稳定的时间和地点陪同这些事件是至关重要的建模和预测地磁扰动(Tsurutani冈萨雷斯,1997)。

这个综述的目的是提供一个简洁,然而全面介绍的主要组件互连空间天气系统,专注于所发挥的关键作用涉及磁场配置的几何结构和连接最近的观测和理论研究证明了这一点。为了达到这种宽度有限长度的审查,我们现在最重要的结构和过程潜在的空间活动,并提供鸟瞰的系统级的交互。此外,使我们的文章有用的社区的广泛研究和工程应用方面的空间天气研究感兴趣,我们将技术细节的数量保持在一个合理的最小值。

本文组织如下。在第2部分中,我们描述了太阳内部的主要领域和过程和大气控制太阳能—喷发等主要空间天气的主要原因主要太阳耀斑,大的日冕物质抛射,太阳高能粒子事件,而且强烈地磁扰动和电离层的足迹。第三节主要集中在大规模太阳风的属性和嵌入式旅游磁结构,如星际日冕物质抛射和冲击,携带免费磁能远离太阳。第四节致力于这些结构之间的相互作用与行星不但和在这一过程中磁性连接的作用。系统级方面互相关联的性质综述了空间天气在第五节中,紧随其后的是一个简短的结论。

2太阳空间天气的司机

太阳是离地球最近的恒星,是太阳系的引力中心。像其他主序星,太阳是一个球体的等离子体包含大约90%氢,10%氦和0.1%次要成分包括碳、氮和氧(罗素et al ., 2016)。从结构上看,太阳由内部层(核心、辐射区和对流区)和外层(光球层、色球层和日冕),它构成了太阳大气中所描绘的一样图1。

图1

图1。(一)太阳的主要地区,包括内部,表面(光球层)和大气(色球层和日冕)。图片提供:美国航空航天局/戈达德。(B)图改编自SOHO / NASA代表太阳的总体结构包括特性,比如太阳风暴,耀斑,太阳风。

2.1太阳内部

由于核聚变过程核心太阳是最热的,密集的地区,温度超过10吗⁷K (Akasofu查普曼,1972)。而核心占不到1%的太阳内部的体积,它负责生成太阳的巨大能量供应通过氢聚变成氦,产生的大量热量,能量和辐射。从核心,辐射然后穿过辐射区外,它不断地吸收并重新发出的轨迹作为这个地区的高密度结果在短发出光子的平均自由程。由于这种吸收和再发射过程中,辐射可以数万到数十万年离开辐射区(罗素et al ., 2016)。

延长辐射区的光球层(太阳)的光学表面对流区一层约200000公里厚的形式由等离子体对流细胞(Christensen-Dalsgaard et al ., 1991;斯蒂克斯,2002)。这些细胞形成的温度梯度之间的对流区(200万K)和它的最高(5700 K),从热等离子体光球层核心地区凉爽的地区。对流区中扮演一个重要的角色在阳光下的行为,因为它热量传输到光球层和驱动的小型运动太阳能材料(Moldwin 2008)。图1一个说明了这个太阳的内部结构。

2.2太阳磁场

扩展了过去的柯伊伯带,从星际空间屏蔽太阳系,太阳的磁场是太阳系最大的磁结构。这个领域很可能由发电机生成过程在太阳内部深处,但这个过程仍然是未知的。一些模型预测,源区位于底部的对流区,但其他人表明,它还可以更深的撒谎和涉及的上部辐射核心(Solanki et al ., 2006)。然而,无论发电机正是位于何处,它形成对流等离子体进行磁场线,通过对流区移动时的热辐射区边界向较冷的光球层(罗素et al ., 2016)。因为太阳是由等离子体,其流体性质导致不同的纬度太阳旋转速度不同。这就是所谓的“微分旋转”,例如,在太阳的赤道需要大约25天完成一个旋转而波兰人需要30天(海瑟薇,1994;罗素et al ., 2016)。在此系统中,能量的形式存储在磁结构扭曲的通量绳,这成为可见的能量系统一旦突破光球层(海瑟薇,1994)。由于微分旋转,一旦出现在太阳表面的结构,根据其定位、通量绳的脚印可能以不同的速度移动。这将导致能源被加载到通量绳为其足迹捉襟见肘,除了彼此2.4.1节将进一步审查。在发电机过程中,所谓的Ω-effect,即。,the winding of the poloidal field (contained in meridional planes) from differential rotation, produces a toroidal (i.e., longitudinal) field, and a twisting process (helical motions), called theα从环向磁场效应,产生一个极向场(施密特,1987;夏博诺2010)。更复杂的模型需要足够描述环形磁场的放大由于微分旋转(施密特,1987;夏博诺2010)。进一步讨论的太阳能发电机建模中发现的可能夏博诺(2010)和卡梅隆et al。(2017)。

太阳磁场的结构及其属性进行非凡的通过太阳的过渡层。大型环形字段Ω-effect产生的不稳定存在,会导致形成的磁通管(Leake乔木,2006)。在光球层字段是高纤维(Solanki et al ., 2006)和磁能驻留在这些磁通量管。这些结构集中的磁场,可以大致描述为束近平行电场线与相对尖锐的边界,明白了Wiegelmann et al。(2014)和引用。通量管表面可见范围从非常小的和明亮的(磁性元素)非常大的和黑暗(太阳黑子)(Solanki et al ., 2006)。压力施加的磁场导致相当大的浮力,确保磁场仍然几乎垂直。表面磁通被认为是运输通过一种称为浮力的机制,在一个孤立的磁通量热力学压力低于它的气体环境,因此上涨由于magnetically-induced浮力(艾奇逊,1979)。这个过程被称为通量和新兴领域的发展形成复杂的结构出现在太阳日冕环和日珥等。通量出现也会影响日冕喷发事件,或太阳上层大气(Leake乔木,2006)。光球层,磁性浮力不稳定导致磁场扩展到太阳的大气层和日冕。这种扩张是由磁通的出现通过磁性浮力对流区为稳定层的光球层和结果在水平磁场的扩张。这种扩张导致磁层的形成不稳定的磁性浮力不稳定,驱动磁场到上面的气氛(松本和柴田则1992;Leake乔木,2006)。

一个测量的影响,磁场对等离子体被称为等离子体β(β),定义为动压等离子体压力的比值:¹

β = \frac{2 μ_{0} p}{B^{2}}, (1)

在哪里p气体压力,B是磁场强度,μ₀是自由空间的渗透性。磁通管,血浆β区间在0.2 - -0.4之间,这意味着,在当地,磁场主导运动。进入大气越高,气体和磁场强度指数下降,等离子体的方式β仍为常数(Solanki et al ., 2006)。

一种有用的图像用于研究太阳的磁场称为磁力图。磁力图,由一个称为工具磁像仪,利用塞曼效应通过发射谱线分裂测量磁场的视线组件表面的太阳。磁力图生产太阳磁场建模非常有用,因为它们允许模型的重建领域的方向使用极性磁力图,看到如莱利et al . (2006)和引用。图2显示了一个示例的磁力图太阳动力学观测卫星(SDO)航天器使用Helioseismic和磁成像仪(HMI)仪器(谢勒et al ., 2011)。

图2

图2。磁力图显示地图的磁场在太阳表面,用黑色显示磁场线指向远离地球,和白色显示地球磁场线朝。图片提供:美国宇航局/ SDO /戈达德。

2.3太阳的外层

磁图如所示图2是由于太阳的光学表面称为光球层,这是一个薄(厚约1000公里)层负责所有我们收到来自太阳的可见光(灰色,2005)。也比太阳的内部,冷却器温度6000 K。光学表面的光球层被认为是太阳,因为它坐落在气态层变化的过渡从完全不透明的透明。在我们能看到的光球太阳黑子地区的磁通量绳索通过太阳表面如前所讨论(罗素et al ., 2016)。这个磁场抑制对流,使太阳黑子冷却器,从而出现比其余的光球出现图1一个。此外,太阳黑子往往成对形成通量绳出现的副产品。太阳黑子的亮度和温度是空间位置的函数。这是由于磁场结构和性能变化与高度。更深入讨论这种变化的属性可能会发现的Borrero和Ichimoto (2011)。磁通管是这个结构的一部分,大多数太阳黑子磁场能量的存储。太阳黑子是周围地区活跃的地区结果从附近的磁场不稳定创造了太阳黑子,看到了吗Solanki (2003)。通常活跃地区的磁场双相配置,包括正面和负面的极性,但更复杂的活跃区可能由几个附近的这些配置(范Driel-Gesztelyi和绿色,2015年)。他们被广泛理解通过磁通管形式起源于环形磁场然后进行磁性浮力通过光球层和太阳大气(Zwaan 1987)。的磁通给定的活跃区域源于对流区,并导致活跃区域从内部向外生长。

因为光球也在对流区,其表面由对流细胞颗粒细胞的等离子体与热上升材料中心和冷却器下降等离子体边缘表达(Wiegelmann et al ., 2014;罗素et al ., 2016)。这将创建“颗粒”的太阳表面出现图1 a, B。

坐在上面的太阳大气光球层,分为两个部分:一个地区称为低色球层和一个称为上层区域电晕。光球层上方的色球层延伸到2000公里,温度约10⁴K (斯蒂克斯,2002),出现视觉上面一层红色的光球。这个区域包含几个主要太阳能结构包括细丝和日珥(罗素et al ., 2016)。丝暗纹出现在太阳表面的(通常高于太阳黑子)和由大型弧等离子体从表面的磁通。这种冷却材料,使它看起来比周围的色球层,光球层,并允许我们来查看这些结构的h - alpha波长或氢的红色发射谱线(光泽和Linsky 1974)。当出现在太阳的肢体,丝被称为日珥,如图1。这些突出物被视为等离子弧的映衬下日冕和行星际空间,而不是太阳的光明面。除了这些更重要的结构,也有海滨和色球网络。海滨是光明的浓度的磁场中可以看到h - alpha的色球层,而大规模的色球网络定义了明亮的轮廓颗粒对流产生的等离子体的边界和h - alpha和钙可以看到紫外线line-Ca 2 K (光泽和Linsky 1974)。

最后,两个光球层、色球层之上,我们遇到电晕,或者太阳上层大气。有趣的是,太阳的日冕也是最热的地区的大气,在温度高于一百万kelvin-orders级的温度比光球层。电晕的强烈热等离子体主要是光学薄而发出的电磁波谱的主要在以下地区:x射线(5-50),软x射线(50 - 150),极端的紫外线(EUV, 150 - 900年)和远紫外线(UV, 900 - 2000) (Zanna和梅森,2018年)。一旦认为,日冕可以出现溅,呈现一个mixed-polarity磁场,小双相区产生亮点的EUV和x射线的波长。增强的磁场在这些区域对应于明亮活跃地区形式,与众多的扩展的循环结构。另一个大规模的特性日冕洞表现为深地区EUV和软x射线图像,对应于集群的开放磁场(极向场)行photospheric级别(克兰麦et al ., 2017;Zanna和梅森,2018年)。这些开放磁力线允许太阳物质容易逃离太阳表面,导致日冕洞有密度和温度低于其余的日冕。这些区域被称为日冕磁场“漏洞”只有一端连接到太阳,离开地区或开放磁力线的“洞”。尽管太阳的日冕的重要性环境和更大的日球层,很难直接和可靠地测量在日冕磁场。由于这个困难,需要而不是依赖模型的日冕和行星际磁场(Gombosi et al ., 2018)。这是说,杨等人的最近的研究表明成功使用日冕多渠道偏振计(CoMP)构建一个全球的地图可见日冕磁场(杨et al ., 2020)。进一步讨论了日冕及其功能中可以找到Zanna和梅森(2018)审查或论文等克兰麦et al。(2017)和理查森(2018)。

关于磁场在太阳大气层,其强度下降指数的色球层和日冕更快(Solanki et al ., 2006)。结果和其他条件,磁洛伦兹力不能由任何其他平衡力,所以日冕磁场必须形成自己的自由配置中,均匀的力量而不是方向,导致该领域的倾向高度电晕。因为目前没有测量磁场的日冕,必须使用完整的磁盘磁力图等测量太阳能旋转为了测量表面磁场分布,然后提供这种作为输入来模拟现实的日冕和行星际磁场模型(Gombosi et al ., 2018)。在r≳2−3R_⊙,大部分剩余的电场线是“开放”,即。,they reach out into the heliosphere as will be discussed below.

2.4在日冕喷发事件

2.4.1磁重联的存储能量

也许最重要的概念在空间天气磁重联。这个过程提供了手段磁性能量可以转化为动能(甜的,1958;帕克,1963年),使其成为最基本驱动力空间天气相关事件(山田et al ., 2010)。注意磁重联是一个复杂的过程,因为它涉及微观(动能)尺度和宏观(magnetohydrodynamic-MHD)尺度,使其多尺度过程细节磁力线的重新配置和由此产生的能量释放(Zweibel和山田,2016)。虽然太阳的磁场能量,日冕实际上是超导,所以它的磁性能量只能通过磁重联消散,打开物理过程,如等离子体加速,震荡,带电粒子事件基本理解空间天气对地球的影响。

重新连接的物理过程描述图3相反的磁场线的合并,创建了一个不稳定的磁场线连接。而释放的能量发生在太阳的日冕,能量的储存和积累发生在太阳内部(霍尔曼,2012)。从上一节指出,该系统由地下能量流在太阳的低层大气,特别是微分旋转的太阳等离子体在不同的纬度,以及子午,南北移动,流在不同经度。这种差异在等离子体的流动导致缺陷或“缺陷”在太阳磁场与等离子体流携带(山田et al ., 2010)。这些缺陷产生磁通绳索在太阳表面的储存能量。Janvier et al。(2015)和Leake et al。(2013)提供一个更详细的描述形成扭曲的通量绳的日冕。

图3

图3。在太阳表面磁场重联的理想化模型。相反的磁场线的合并创建了一个磁不稳定性,导致电场线连接。在这个模型中,弧的电场线连接两个太阳黑子躺在色球磁绳的足迹。在重新连接,新连接磁力线单独顶部向上循环膨胀而底部循环内崩溃。这个过程形成电流片,导致能量释放,放出等离子沿着磁场线向上。图片来源:NASA。

一旦储存足够的能量,磁循环变形,其电场线与另一组电场线连接。这将导致一个不稳定,允许磁重联在短时间内释放能量,导致磁性能量部分转换成热能(绿色et al ., 2018)。见图3,这可能发生在弧线的电场线(如在通量绳)连接两个太阳黑子,代表通量绳的足迹。在磁重联,色球通量绳单独的足迹,前循环图3向上扩展(Georgoulis et al ., 2019)。内循环然后崩溃并重新连接,形成电流片的加速和传播,导致带电粒子(Dungey 1953)。注意,尽管当前表将高度分散和动态,空间分辨率很低,因此难以图像(克莱因和Dalla, 2017年)。可以形成多个当前表磁回路所扭曲的色球的运动足迹(Georgoulis et al ., 2019)。磁重联部队顶部向上循环,导致能量释放和向上喷射的等离子场线。同样重要的是要注意,在太阳磁场重联以开放的结构或可能发生的与另一个封闭结构。

,加载的能量进入磁场形式的可辨认的太阳能结构包括太阳黑子活跃区域,纤维,日珥,以及更多的暴力和喷发事件如日冕物质抛射(cme),太阳耀斑,太阳高能粒子事件(9月)。然而,所有这些事件创建相同的基本方式描述(甜的,1958;帕克,1963年;绿色et al ., 2018)。这个过程是上述重组的一部分太阳的磁场,磁场拓扑结构可以通过改变磁重联。一旦太阳黑子移除了,由微分旋转或子午流,磁力线延伸,最终变形磁场拓扑结构导致磁重联(Kulsrud 1998)。这个脱落的部分领域,加速向外(绿色et al ., 2018)。在磁重联过程中,释放的能量磁场可以太阳耀斑的形式,其能量代表着一个巨大的爆发在许多不同波长的电磁辐射。此外,灯丝(或突出)的加速部分可以拖动和它从色球层到电晕等离子体,进入星际空间。当这种情况发生时,产生的磁场和等离子体的爆发是一个日冕物质抛射或者芝加哥商品交易所(Georgoulis et al ., 2019)。太阳高能粒子(SEPs)陪我们太阳耀斑和太阳风暴,并代表高能粒子在这些事件也加速。因为他们是带电的,他们倾向于遵循磁力线,因此本质上与帕克螺旋模式。通过这种连接,SEPs影响地球主要来自太阳的西半球(Laitinen Dalla, 2019)。

2.4.2日冕物质抛射

日冕磁重联事件会导致大规模的爆炸释放的能量和质量,特别是通过所谓的“磁突破”——灯丝弹射和重新连接(之间的正反馈机制Antiochos et al ., 1999;Wyper et al ., 2017)。

一个太阳喷发事件的一个典型例子是日冕物质抛射(CME)。日冕物质抛射主要发生在太阳活跃区,那里有强大的磁场线和闭域结构。几种机制影响课程对火山喷发导致日冕物质抛射;这些机制通常被称为触发器和司机火山喷发(Georgoulis et al ., 2019)。触发器的例子包括磁重联,司机的例子包括剪切或扭曲的磁通量绳索组成一个活跃的地区的磁回路。触发器和司机影响磁回路配置通过把理想化的循环模型所示图3发生一个临界点,失去稳定性,导致爆发的太阳能材料的磁结构支持切断了从太阳和加快向外连接(《福布斯》2000)。

一旦这个团等离子体和来自太阳的磁场加速向外,其结构变得明显与明亮的核心代表长丝/突出活跃地区的担忧,一个黑暗的,内腔磁回路的磁通量绳所在,和一个明亮的外循环包含日冕物质和拖缆(低,1996)。这种结构,它的进化,可以清楚地看到图4,这显示了CME的传播远离太阳。芝加哥商品交易所爆发之后,我们可以推出它的速度通过使用多个测量随着时间的推移,从几个在绕太阳日冕仪。例子包括日冕仪在双子飞船立体声(太阳能地面天文台的关系)和立体声B,它围绕太阳公转轨道在不同太阳能经度,允许重建的CME传播基于多个视角(Mierla et al ., 2008)。一般传播的CME它开始缓慢上升速度大约数万公里的时间分钟。芝加哥商品交易所然后迅速加速几个太阳半径时间表的时间,最后传播不断进入星际空间,通过日球层(Georgoulis et al ., 2019)。芝加哥商品交易所带有磁性的震惊和鞘区域,随着震惊等离子体加热,密度和动荡。图4显示了60分钟的进化大角度的CME成像和光谱日冕仪(LASCO) / C2日冕仪仪器上的太阳能和格林威治天文台(SOHO)宇宙飞船,结合匹配SDO的数据/友邦保险。

图4

图4。60分钟传播成像的CME LASCO / C2日冕仪在SOHO飞船。注意到理想化的结构出现在一个明亮的内核的形象,一个黑暗的空腔区域,和一个明亮的外层循环(Georgoulis et al ., 2019)。

值得注意的是,太阳风暴可能有或没有一个耀斑。事实上,高斯林(1993)认为太阳耀斑不生产cme扮演重要角色,甚至表明,超过80%的所有观察到的cme是不与大耀斑。我们的太阳风暴与太阳耀斑,相关Simnett和哈里森(1985)和瓦格纳和MacQueen (1983)表明,CME轨迹可以经常外推时间开始之前耀斑,表明CME经常发起耀斑爆发前。本文的范围不允许日冕物质抛射的全面审查;然而看到如《福布斯》(2000)为更多的细节。

2.4.3太阳耀斑

另一个经典的例子对太阳能的影响环境磁场重联的太阳耀斑,代表冲动和强烈的辐射。Giovanelli (1946,1947)首先证明了太阳耀斑是一种电磁能量转换的过程(白,Sturrock 1989)。典型的耀斑持续秒时间和辐射主要是短的波长;然而,往往大耀斑产生电磁辐射观测波长包括可见光谱,在这种情况下,耀斑称为“白光耀斑”(罗素et al ., 2016)。图5一个显示了不同波长太阳耀斑的极端紫外线(EUV)光谱。太阳耀斑发生当磁通量摆脱太阳的较低的地区到其表面,形成新的活跃地区,并被认为是至少部分负责加热太阳的日冕(Solanki et al ., 2006)。首次观察到的太阳耀斑是白光耀斑观察到1859年9月在一个事件,现在被称为“卡林顿事件”,它预示的到来在现代历史上最大的太空天气风暴。

图5

图5。前面板:这张图片展示了一个太阳耀斑出现在不同波长的紫外线,从左边的1600到94年和131年在右边。注意,因为太阳耀斑是电磁辐射事件,它们是可见的在多个波长如上图中所示。图片来源:NASA / SDO。底板:太阳耀斑的描述类,耀斑类的定义是基于峰值在1 - 8 x射线通量(Discola初级,2019)。

像太阳风暴,太阳耀斑大多发生在活跃的地区,因为这些地区包含强,复杂的磁场和磁热循环和稠密等离子体(Janvier et al ., 2015)。太阳耀斑也,正如前面讨论的,复杂的副产品重新配置的磁场,通过磁重联的能量释放,看到如克莱夫et al。(1986)。整个系统的复杂性,自然导致严格的讨论,具体机制主要是负责能量的突然爆发在太阳耀斑,以及能量转换过程是最重要的,导致这种能量释放;白,Sturrock (1989)评论这个话题进行更详细的。

太阳耀斑进行分类(能源)分为几类:A, B, C, M,和X, X被最强烈和最强烈的(Janvier et al ., 2015)。从每个类别有九个的细分,例如,C1, C9, M1 M9, X9和X1,细分是基于x射线测量从地球同步轨道环境卫星(GOES) (白,Sturrock 1989)。的表图5列出了不同分类的太阳耀斑,及其相关的x射线通量。

太阳耀斑可以展开为有限或喷发过程。在耀斑,磁场元素被包含到耀斑循环,并伴随着加速粒子(Pallavicini et al ., 1977)。仿真表明,在一个狭小的耀斑,随着新的通量出现,它对上覆压力场结构,导致电流密度层的形成(Janvier et al ., 2015)。当前然后增加直到达到一个阈值和micro-instability触发。这种micro-instability增加当地的等离子体的电阻率,这迅速消散电流(Janvier et al ., 2015)。在耀斑一般脉冲在时间和空间紧凑,和耀斑循环包含大部分的能量。喷发耀斑,恰恰相反,通常扩展到大量的日冕,导致太阳能材料的弹射的日冕物质抛射(Pallavicini et al ., 1977)。喷发耀斑通常与长期事件有关,而在耀斑通常更短时间尺度(白,Sturrock 1989)。

当研究耀斑,我们可以注意每个波长峰值排放不发生在同一时间。因此,如果我们考虑一个广泛的电磁光谱,我们可以看到每个耀斑的解释的时间演化进行深入审查Janvier et al。(2015)。

2.5太阳活动周期

太阳转换通过高和低太阳活动时期,被称为太阳活动周期。这个周期大约持续11年,并可以以太阳能最大值和太阳能最小值,明白了图6。此外,太阳的磁极倒转每一循环,导致22年完整的周期。在太阳能最大,太阳有大量活跃的地区,而在太阳,太阳有一个小数量的活跃地区,这一过程已经看过的Zwaan (1985,1992)。这些活动区域机制,通过它可以加速粒子,如太阳能flare-related日冕飞机(罗素et al ., 2016)。太阳周期是一个重组的结果太阳磁场随着时间的推移,如前所述2.4.1节。磁场活动可以直接与太阳黑子的数量目前在光球层上。正因为如此,太阳黑子的数量在给定的时间观察是宝贵的太阳活动的测量,这个数字是密切相关等特点的总表面磁通或总太阳射电流量(Solanki et al ., 2006)。图6显示了一个太阳活动周期的描述。注意,太阳能现象与太阳活动周期有关,如太阳耀斑和太阳风暴,更频繁地发生在太阳最大的时候,和发生频率较低的太阳能最低。

图6

图6。太阳活动周期的描述,从1996年太阳活动极小期,周期到2001年太阳能最大的图片,然后在2006年太阳活动极小期,显示一个完整的11年周期。注意太阳活动毫无在太阳很少活跃的区域,同时,在太阳能最大各种活跃的地区,日珥,可以看到细丝。图片来源:NASA。

3日球层

扩大从太阳到星际空间的边界日球层代表着一个巨大的泡沫雕刻的星际介质太阳磁场和太阳风。在日球层的防护泡沫,材料和太阳磁场流出占主导地位,导致能量的转移太阳等离子体进入星际空间和创造的基础能源运输空间天气系统。

3.1太阳风

的太阳风代表不断流出的带电粒子从太阳上层大气和磁场进入星际空间。这个外流是通过热压力梯度产生的等离子体太阳大气层加热到这样一个星际空间的气体压力区别和日冕产生压力梯度力强大到足以克服太阳的引力(克兰麦et al ., 2017)。

因为创建了太阳风从太阳上层大气,其成分反映了太阳作为一个整体,是由大部分的氢和氦。具体地说,太阳风质子96%,4%阿尔法粒子,含有少量的碳和更重的元素(威廉姆斯,2005)。

当等离子体逃离太阳大气,它向外扩展成一个螺旋的形成帕克螺旋。这个分布是创建为太阳风源地区不断改变他们的位置由于太阳的自转(罗素et al ., 2016)。因此,即使这些来源地区喷射材料径向路径远离太阳大气,源地区本身导致的旋转螺旋分布太阳风所示图8。

因为高导电的太阳风由等离子体,这也带来了太阳磁场向前移动时由于阿尔芬冻结在通量定理保证磁通是“冻结”到等离子体(罗伯茨,2007)。这导致螺旋磁场线的形成。磁场线是伤口的紧密性取决于太阳风的速度,与慢风创建行伤口收紧和更快的风使线条更加松散的伤口。

帕克的螺旋磁场线螺旋关系

r - r_{0} = \frac{V (ϕ - ϕ_{0})}{Ω 因为 θ} (2)

在哪里V是太阳风速度,r日心距离,Ω太阳能角速度,θ和ϕ分别的helio-altitude和helio-longitude观察者,然后呢r₀和ϕ₀的日心距离和helio-longitude初始等离子体在太阳的位置(理查森,2018)。

太阳的大规模的扩张偶极磁场的日球层导致开放的,反向的磁场线沿日球层的磁赤道(接近彼此史密斯,2001)。平衡这些反向的磁场线,日球电流片创建或高碳钢,将太阳磁场极性变化之间的北部和南部(卡勒,2003)。

太阳风也表现在一系列空间和时间尺度上的结构。最根本的是,它在本质上是观察到的是双模的,“快速”和“慢”流(Habbal et al ., 1997)。“快速”风源于日冕磁地区字段只有一端连接到太阳,即。“开放”,地区电场线称为日冕洞,正如前面提到的2.3节所示图7,额外的逃离材料从这些地区负责高速太阳风流的创建。另一方面,“慢”风似乎来自各种来源,包括飘带,pseudo-streamers,冠状循环,活跃的地区,和冕洞边界(克兰麦et al ., 2017)。日冕洞持续多个太阳能旋转所谓的来源共转交互区域(cir),发布的“快速”太阳风从日冕洞与“慢”风(理查森,2018)。

图7

图7。四个图片的软x射线观测日冕洞(黑色区域)扩展从北极到太阳的赤道。这些图片被分开2天(理查森,2018)。这些图片是分布式的https://creativecommons.org/licenses/by/2.0/legalcode创作共用署名2.0国际许可证。

快和慢风之间的相互作用导致太阳风压缩和扩张的模式,形成流互动区域(SIRs)。由于等离子体是“冻结”磁场,这些流不能混合,是一个常见的星际冲击来源,尽管先生们和背景都可能发生冲击形成的独立。在众位的形成过程中,快速风力与和偏转风西方而慢风偏转风东越快。此外,缺乏混合允许将两个流的离子组成,即。“慢”风的密度。

3.2冲击,icm和SEPs

除了基础太阳大气的太阳物质外流,太阳风可能出现结构形式的冲击。这些冲击发生在无碰撞的连环相撞的太阳风等离子体的磁场线(华人,1978)。冲击可能发生在太阳面前司机太阳附近,与冲击远到日球层通常由cme和先生们(例如,郭et al。(2021)]。

cme时移动到星际介质被称为星际日冕物质抛射(icm)和驱动冲击注入快速移动的等离子体和磁场线行星际介质。具体来说,星际冲击可能发生当一个ICME足够的速度比之前的太阳风,导致激波ICME(向前发展Kilpua et al ., 2017)。看到图8 b例如ICME的向外传播及其产生的行星际激波。

图8

图8。(一)从描述拉塞尔et al。(2016)帕克螺旋的形成的太阳的自转导致径向发出等离子体包裹被释放从太阳在不同位置的不断变化的方向发射太阳表面的区域。(B)ICME穿过星际空间的关系图(Kilpua et al ., 2017)。这张照片是分布式的https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/legalcode创作共用署名2.0国际许可证。注意创建的螺旋磁场线因为帕克螺旋模式的解释(一)。

星际冲击时可以触发磁暴与地球的磁气圈(Lakhina Tsurutani, 2016)。此外,CME-driven冲击的一个重要的角色在太阳高能粒子的加速。9月事件被定义为直接增强通量的质子,电子,离子和其他重型和能量远高于太阳的日冕的热能,它通常是数百个电子伏特(罗素et al ., 2016)。这些事件可以达到GeV水平在能源和可以持续几小时到几天(克莱因和Dalla, 2017年)。GeV 9月事件是重要的关于他们对地球的影响,因为它们产生地面增强,解释为增强在宇宙射线强度以地球上的探测器(Plainaki et al ., 2014),表示危险的条件对卫星和载人任务(例如,Mishev Usoskin, 2020)。

9月事件通常分为冲动或“软弱”,和渐进的或“强大”事件(令,1999)。冲动9月事件短时间内(通常小于1天),有适度的通量(这意味着它们通常是低强度),和经常发生(每年1000)期间太阳活动。冲动的事件通常有快速发病和衰减时间,9月,通常只持续几小时。逐步9月事件持续的时间比较长(通常是几天),和高强度。他们通常是罕见的,因为通常每年只有几十个(克莱因和Dalla, 2017年)。

高能粒子在冲动的事件被认为是加速快速接近太阳的能量释放冲动阶段的太阳耀斑和随之而来的强大的波活动。主要ICME-related冲击加速度机制是扩散加速机制(DSA) (胡锦涛等人。,2017年)。在加速过程中加速粒子必须穿过几次冲击,逐渐获得能量,直到他们逃离冲击区域(克莱因和Dalla, 2017年)。另一方面,高能粒子在渐进的事件被认为是在CME-driven震惊主要通过扩散冲击加速度加速机制。

SEPs加速在两个主要类别:首先通过磁重联和活跃的地区动荡通常由太阳耀斑,其次通过大规模CME-driven冲击(Kilpua et al ., 2017)。这些类型的事件之间的区别是很困难和加速SEPs的起源仍然是高度讨论(克莱夫,2016),太阳耀斑和太阳风暴发生时几乎同时相同,或附近,活跃地区爆发。另外,属性逐渐9月的事件受到几个过程的影响(例如,德赛和Giacalone (2016)如:suprathermal种子数量的起源和变化;冲击几何和背景磁场;注射阈值和冲击加速度的效率机制;存在多个,cme互动;海浪和湍流冲击和附近的星际介质;和散射条件在运输在星际空间。

最后,众所周知,在太阳耀斑粒子加速,当色球层加热能量沉积在耀斑(Jeffrey et al ., 2019)。这源通常被解释为一个签名的能量释放接近或高于循环,加热等离子体的冠状循环和加速电子,可以逃避主网站作为梁加速度。因为他们的高能源互动不多的日冕等离子体被稀释,而释放能量循环的“色球的脚印”(克莱因和Dalla, 2017年)。

3.3日球结构

如前所观察到,太阳的磁场和太阳风创建一个向太阳系等离子体周围的区域称为日球层。日球层模拟磁气圈的形状在许多方面:它是一个围绕太阳的结构,有一个半球形状在一个方向上由于压缩的星际风和延伸很长彗星一样的尾巴后面(Kilpua et al ., 2017)。

日球层的分层结构,如图所示图9:当太阳风离开太阳,它以超音速,直到它到达激波边界,于是它开始缓慢而压缩扩展到星际介质。这种压缩导致太阳风粒子加热(Fahr 2004)。激波边界开始转移太阳风等离子体日球层的尾巴,尾巴的形成开始。激烈的震惊,太阳风等离子体激波边界被称为日鞘(Burlaga et al ., 2005)。

图9

图9。日球层的结构的示意图描述终止震惊和太阳风层顶。图片提供:美国宇航局/ IBEX /阿德勒天文馆。

过去日鞘,认为是约30 - 40%比冲击,更遥远的是日球层顶中所描绘的一样图9。日球层顶是太阳风等离子体和星际等离子体之间的分界线(太阳风和星际风)(Fahr 2004)。旅行者1号越过激波边界在94个天文单位(AU)在2004年和2012年被认为是穿过太阳风层顶的距离121 AU (Gurnett et al ., 2013)。

cme和太阳风速度流可以超越常规的太阳风朝着太阳风顶层,他们创建压缩区域的等离子体和磁场线合并交互区域(大鹏)(Fahr 2004)。稀疏然后形式背后的大鹏展翅,等离子体已被清除。这些区域的磁场比较高,他们帮助阻止宇宙射线进入太阳系。虽然太阳风定义了日球层的边界和结构(如创建了边界,太阳风的压力平衡与星际介质),它随太阳活动周期(Bazilevskaya et al ., 2015)。在太阳能极大值,有相对较少的高速流,太阳风的平均速度较低。这种可变性,以及不规则的cme和高速流的太阳周期,导致日球层的边界振荡(Fahr 2004)。

4地球的磁气圈

通过太阳能系统流动通畅后,太阳风第一次遇到阻力时接触到行星磁场。根据Pulkkinen (2007)”,磁气圈是太阳风的空腔流的相互作用形成的太阳风和行星际磁场(IMF)的固有磁场或电离大气层的行星。“因此,地球的磁气圈是地球磁场区域占主导地位,并细分为磁鞘,磁,磁尾,等离子体层,辐射带,如图所示图10。这些分歧是基于磁场线和等离子体的特点,比如它的起源、密度和能级。这个磁场保护我们的日球层最严厉的条件,不断的通过太阳风带电粒子。太阳事件导致磁层被称为大扰动geoeffective。

图10

图10。(一)地球的磁气圈外弓形激波,磁鞘,磁层,尾叶和尾电流片(也称为中性表)。太阳被认为是在左边的形象,因此,太阳风压缩的光面(或朝着太阳)磁气圈,虽然阴面磁层延伸到尾部区域。注意尖端区域的弱磁场强度,直接进入地球大气层高纬度地区(Pulkkinen 2007)。这张照片是分布式的https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/legalcode创作共用署名2.0国际许可证。(B)表示的内部磁气圈描绘环电流、辐射带和等离子体层(Mauk et al ., 2013)。这张照片是分布式的https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/legalcode创作共用署名2.0国际许可证。

4.1地球的磁场

创建地球磁场的内在深处的热,部分液体铁镍合金核心自励发电机过程认为形式通过东西方结合的运动在熔融流动,进行外核(小机件,1974;Glatzmaier罗伯茨,1995)。除了这个发电机过程,有一个静态字段由岩石磁化矿物质在地球的地幔。这额外的字段称为岩石圈字段和通常显著小于核心的发电机磁场占95%的地球表面磁场强度(克兰麦et al ., 2017;Mandea Chambodut, 2020)。

地球半径(R_e≈6380公里)是一种天然的磁气圈的长度尺度。在地球附近,3到4R_e,这个领域与偶极子的场可以近似;具体地说,该领域的特点是偶极子为约90%,磁偶极矩为7.65×10²⁵erg/G的磁场强度,导致表面约30000nT在赤道和60000年nT在两极附近(斯泰西和戴维斯,2008年)。地磁场是面向这附近的磁S极是地理北极,和磁场N北极在地理南极附近。地磁场倾斜约11°的旋转轴。然而,在更大的距离,太阳风的影响造成重大偏离偶极子。就像一个倾斜的偶极磁场,电场线之间的分歧的地区向流动的光面磁气圈和尾巴尖点,见图10。磁场的尖端区域也最低,允许太阳风等离子体进入地球大气层(Ganushkina et al ., 2018)。

地磁场的方向逆转本身以不规则的间隔,上一次地磁反转发生在约780000年前。负责这些逆转机制基本上仍未知,虽然相对迅速的地质记录表明,逆转发生相对于地质时间尺度10⁵-10年⁶年(雅各布斯(1995),歌手et al。(2019)]。

4.2外磁气圈

当磁化和超音速太阳风首先遇到的障碍,地球的磁气圈,站形成冲击波,被称为弓形激波(米兰et al ., 2017)所示图10。跨越这个界限后,太阳风等离子体变成了震惊,或加热,速度减慢,在磁气圈转移是由于太阳风的冻结在磁场抵制地球的磁场。等离子体然后驻留在磁鞘,这是一个地区的湍流等离子体密度、温度和低于太阳风(Akasofu查普曼,1972)。

分离的磁气圈的强磁场弱磁鞘(太阳风的能量场)磁层代表了地区之间的压力平衡太阳风和地球磁场的稳定存在,由以下给出近似条件(Kanani et al ., 2010;罗素et al ., 2016;Ganushkina et al ., 2018):

ρ_{年代 w} v_{年代 w}^{2} \approx \frac{B_{E}^{2}}{2 μ_{0}}, (3)

在哪里ρ_西南是太阳风的密度,v_西南是太阳风的速度,B_E是地球的磁场强度。这个等式的左边代表太阳风的动压力,和右边代表地球磁场的磁压力。太阳风的动压力压缩这个磁场的光面,见图10,但是,太阳风是动态的,磁层的位置变化与太阳风条件导致边界“呼吸”和太阳风的平静和激增。从压力平衡情商。,你会发现磁sub-solar距离的安德森(2004)

r_{党卫军} \approx {(3.2 \frac{B_{E}^{2}}{μ_{0} ρ_{年代 w} v_{年代 w}^{2}})}^{1 / 6} R_{e} 。 (4)

在典型的太阳风司机平均条件如下:ρ_西南=n_西南米_p,n_西南∼7厘米⁻³,v_西南∼400 km / s,赤道地磁场强度30日000元。在这些时期,磁层大约是10R_e上游来自地球,但是当太阳风尤为强劲,如磁暴期间驾驶条件下,它可以压缩在地球静止轨道,减少对峙距离小于6.6R_e(Pulkkinen 2007)。因此磁控制质量和能量的转移从太阳风进入内磁层,还包含一个当前支持磁层结构。

由于太阳风的压力诱发磁层,昼压缩,而延伸到阴面磁尾或长了尾巴的磁气圈(他,1987)。磁尾有几个内部结构包括北部和南部叶区域,定义为强B字段和等离子体密度低。中心的磁尾等离子体表,等离子体密度高,低B场地区,创建一个当前的流沿着磁尾的费用(Pulkkinen 2007)。

4.3内部磁气圈

接近地球,内磁气圈代表不同人群不同能级组成的带电粒子辐射带(兆电子伏,∼伏),环电流(∼keV)的等离子体层(∼eV),以及地球大气的电离上游称为电离层所示图10 b。这个系统是提供粒子的相互作用,地球磁场与太阳风,创建一个电场的磁气圈和原因E×B大量带电粒子的漂移磁尾内磁层所描述的Usanova和Shprits (2017)。此外,粒子流出电离层磁气圈提供带电粒子系统。因此太阳风等离子体和流出地球的上层大气质量添加到系统。这些粒子可以精力充沛的尾巴和磁场重联的光面磁层(如将在4.5节讨论),创建不同的粒子数量的磁气圈(Borovsky瓦尔迪维亚,2018)。

从辐射带,他们代表一个two-belt结构的磁气圈所示图10 b和描述图11,被困的辐射带粒子在橙色。这些区域填充相对论(∼兆电子伏)电子和质子绑定到地球的磁场(李和哈德逊,2019年)。外辐射带位于从3到10再保险公司在内部辐射带在地球更近1 - 2从地球表面。这个two-belt结构包括一些最高能粒子的磁气圈的高能离子(兆电子伏)限制在最里面的带(Usanova Shprits, 2017;李和哈德逊,2019年)。

图11

图11。(一)地球的磁气圈和当前结构原理图捕获粒子的磁层内部辐射带(代表)显示为橙色,蓝色所示的等离子体层,而叶regions-extending magnetotail-are浅蓝色所示。电流是由各种灰色箭头,与Chapman-Ferraro电流(或磁电流)从黎明到黄昏在磁层和环电流相反的黄昏黎明方向进一步深入内部磁场。等离子体片或磁尾中性片然后描述了黄色。还要注意field-aligned电流的存在(流式细胞仪)连接各种当前系统连接在一起,形成一个连贯的系统与地球的电离层。图片来源:波洛克et al。(2003)。这些图片是分布式的https://creativecommons.org/licenses/by/2.0/legalcode创作共用署名2.0国际许可证。(B)图的创建和流沿着的光面Chapman-Ferraro当前结构的磁层正离子和负磁电子gradient-curvature漂移,创建一个当前沿着边界净黎明到黄昏。注意红色的曲线给净Chapman-Ferraro电流方向的3 d在磁层循环。图片来源:百科全书。

向内移动,然后我们遇到了环电流位于离地球大约2 - 7日重新约之间的两个辐射带(Pulkkinen et al ., 2017)。当前是由梯度曲率漂移keV粒子的内部磁气圈和流动方向向西(米兰et al ., 2017),在图10 b和图11。环电流可以由icm会增强驱动高环电流活动。

最后,等离子体层代表人口的冷,低能量(eV)等离子体(李和哈德逊,2019年;勒麦尔Gringauz, 1998)。上述定义等离子体层的边界,磁性层的电场称为等离子体层顶,在动态太阳风条件可以伸展等离子体层顶磁层,或更严格限制等离子体层(Usanova Shprits, 2017)。这就是说,等离子体层通常是定义从地球大气层扩展(或电离层),到4 - 8(取决于太阳风条件)。请注意图11描述了等离子体层的蓝色区域电离层和困地区(或辐射带)。从等离子体层排出的磁性层的对流导致等离子体在等离子体层顶,而等离子体层由电离粒子的粒子数量补充从地球大气层(李和哈德逊,2019年)。

现在我们深入研究地球的上层大气遇到地球的电离层层的上层大气的电离气体。从太阳上层大气中的粒子成为电离的电磁辐射以及影响磁性层的高能电子(Borovsky瓦尔迪维亚,2018)。电离层在全球无线电波传播尤为重要。白天的,低层次的电离层(D和E层)是由阳光和电离屏蔽无线电波的最高一层,F层。但晚上,离子在D和E层重组与附近的电子,所以这些层消失。最高一层的电离层F层,这样一个低密度复合不发生,和层仍然电离。从地面无线电波能够然后电离层的反射,使无线电波传播很远。如前所述,避开电离层等离子体(冷离子)通过电离层外流和填充磁气圈,改变近地太空的质量内容,包括等离子体层(Chappell et al ., 2008;凯利,2009;Schunk伊,2009年;Borovsky瓦尔迪维亚,2018)。

4.4电流的磁场

电流产生的磁气圈通过地球磁场之间的相互作用和太阳风(见例如,评论Baumjohann et al。(2010),伊斯特伍德et al。(2014),Ganushkina et al。(2015),Ganushkina et al。(2018)]。地磁环境的结构被定义为这些水流,并响应各种不同的刺激。这样的刺激可以改变太阳风压力(影响磁气圈的大小和他们的力量)。另一个刺激的方向和强度的行星际磁场(IMF)修改结构的磁气圈通过磁重联,并允许太阳风等离子体进入内部磁气圈(米兰et al ., 2017)。由于这种压力,压缩的光面,在阴面延伸成上述磁尾中可以看到图11。在地球磁场扭曲成non-dipolar配置,在∇×B≠0,规定的允许电流流动安培定律,

\nabla \times B = μ_{0} (J + ε_{0} \frac{\partial E}{\partial t}) 。 (5)

在哪里B是磁场,J是电流密度,ɛ₀电常数,E是电场。在大多数的空间天气应用程序中,位移电流可以忽略,因此

J \approx \frac{\nabla \times B}{μ_{0}} 。 (6)

电流的磁层,由此产生的电流路径是不固定的,可以改变根据太阳风的驾驶条件。然而,这些电流提供磁层结构,如磁电流提供了一个重要角色在两个支持内部磁气圈的结构,允许传输能量的太阳风之间和内部的磁气圈(长谷川,2012)。

当前被称为磁层Chapman-Ferraro当前首先提出了查普曼和费拉罗(1931)。在最简单的形式中,当前是由磁鞘离子和电子遇到磁层磁场越强,执行half-gyration,然后重新进入磁鞘中描述Ganushkina et al。(2015)和Baumjohann et al。(2010)。这个过程重复,最终创建一个净电流与粒子的电荷控制旋转的方向。因此,中所描绘的一样图11 b,离子旋转duskward在磁层,而电子旋转dawnward (Ganushkina et al ., 2018)。这导致净当前运行从黎明到黄昏在磁层垂直于磁场。目前还可以被抗磁电流,产生的离子和电子密度和温度梯度磁层边界(长谷川,2012)。当前由电子方面扮演着重要的角色在规模小,薄当前磁层结构(•舒斯特et al ., 2019)。

磁电流是至关重要的我们对空间天气的理解这就是磁重联被认为发生在侧磁气圈(Trattner et al ., 2021)。注意这是相同的过程,重新配置太阳磁场磁场重联的磁能cme的形式发布,耀斑,SEPs如前面所述。磁场重联的磁层,包括反向的磁场线的合并,导致重新配置的磁场,磁气圈的闭域结构太阳风的影响了黑森州和Cassak (2020)。这使释放的能量存储在磁场和产生高能粒子,同时加热等离子体。重申的伊斯特伍德et al。(2013)当前,重新连接发生在薄床单,像磁电流片当国际货币基金组织B_z向南的还是消极的B_z方向,能源和从太阳风等离子体可以被转移到内部磁气圈通过改变地球磁场的磁场拓扑结构和开放封闭的电场线所示图13,发生在磁场重联的光面磁层之间对立的磁场线太阳风的国际货币基金组织(IMF)和地球的磁场。

高度紧张的磁性层的尾巴也有复杂的电流系统。的磁尾电流(cross-tail当前)流从黎明到黄昏侧面通过尾部的中心;另一个电流使上下两个循环电流片中部,关闭cross-tail当前通过夜间磁层(Ganushkina et al ., 2018)。cross-tail电流补偿磁场的差异和对立的流费用在磁尾当它扩展(米兰et al ., 2017中所描绘的一样)图11。

这些当前系统的不同部分磁层然后用通过“沟通”field-aligned电流(流式细胞仪)首先提出的Birkeland (1908)。如此命名是因为他们平行磁场,流式细胞仪负责循环等离子体在磁气圈和电离层之间,创建一个完整的当前系统(例如,Le et al . (2010);Ganushkina et al。(2018)]。这个系统允许关闭由于电离层,或地球的上层大气的电离层提供一个电导,允许通过流式细胞仪和磁层电流关闭皮德森电流所示图12(例如,Adhikari et al。(2017)]。皮德森电流流在极地冰冠和连接区域1和区域2场电流保持一致。霍尔电流跟随磁性层的对流模式,因此高纬度地区电离层电位模式(米兰et al ., 2017)。

图12

图12。(一)图Le et al . (2010)代表有流式细胞仪连接外磁层、电离层的电离层的电导允许当前系统通过皮德森电流关闭。(B)图像捕获的北极光在阿拉斯加东南部,它显示了北极光的绿色窗帘(特征进度,2021)。

而流式细胞仪都有同样的基本任务,它们进一步分为区域1和区域2电流了Le et al . (2010)。1电流是高纬度地区水流和连接进一步在磁气圈磁电流。地区2电流,另一方面,较低的纬度和连接更紧密的环电流。,这些电流连接与电离层的磁气圈和帮助转移能源和地球的磁气圈和电离层之间的等离子体过程称为magnetosphere-ionosphere耦合(Coxon et al ., 2015)。

4.5磁气圈的能量转移

4.5.1 Dungey周期

在磁重联,太阳风的能量释放在磁层和加载到磁尾,它存储在磁场触发,直到重新连接尾电流片,允许释放的能量进入内部作为第一所描述的磁气圈Dungey (1961)。这个过程,如所示图13,代表能量的主要方式积累和释放外磁层(例如,米兰et al。(2007),米兰et al。(2017),Ganushkina et al。(2018)]。在这个周期,地球磁场的磁力线重连和太阳风造成的内部循环,对流磁场和等离子体随着太阳风的磁层(例如,Akasofu (2021)]。当B_z组件的行星际磁场(IMF)是负的(太阳风的磁场点向南方向),可以发生在磁场重联的光面磁层,形成开放磁力线拖尾,创建磁尾叶和储存能量,然后通过中磁场重联的尾巴(发布米兰et al ., 2007;陆et al ., 2020)。这个过程可以进一步分解成能量的流动,在太阳风充当司机,磁层能量摄入,磁尾的能量积累,内磁气圈的净能源消费国。此外,国际货币基金组织(IMF)向北太阳风等离子体可能直接被内磁层通过向极磁场重联的尖端区域(Marcucci et al ., 2008)。很多磁性层的现象,如地磁风暴和极光亚暴,由太阳风与关键方面的进化与特定的太阳风国际货币基金组织的条件(Akasofu 2021)。

图13

图13。图显示加载中磁场重联的能量从磁磁尾,然后导致中磁场重联的尾巴,和卸载储存能量进入内部磁气圈。作为一个周期遵循以下几点:(1)重新连接发生在的光面上磁,(2)电场线和等离子体对流传热的极冠,能量加载到磁尾,(3)一旦足够的能量加载到尾巴,重新连接时,它向地球发送等离子体。基数从伊斯特伍德et al。(2017),图编辑要点和彩色的路径。这张照片是分布式的https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/legalcode创作共用署名2.0国际许可证。

4.5.2亚暴的

Dungey周期传输的能量在磁气圈的一种方法是通过亚暴的,这是最基本的磁气圈的装卸过程(例如,瓦尔迪维亚et al。(2005)]。亚暴的通常持续2到4 h和代表高纬度磁扰动产生的太阳风(Partamies et al ., 2009),它可以分为三个主要阶段了香农和朱棣文(2016)和能够et al。(2012)。第一个叫做增长阶段的光面重新连接发生触发增强对流和加载在磁尾的能量。这导致了扩张阶段,包括尾巴重新连接,触发等离子体和磁通的卸货,并逐步扩大的区域的极光。最后,磁气圈慢慢回到风暴条件和极光结束经济复苏阶段。这个亚暴过程可以重复如果太阳风驾驶条件继续引起磁场重联的光面,装载更多的能量进入磁尾。如何恢复磁层亚暴后再决定如何分类亚暴。例如,如果这个过程发生在一个孤立的事件,它被认为是一个孤立的亚暴(Partamies et al ., 2009;能够et al ., 2012)。复发性亚暴时观察到的一个重要的太阳风扰动,如磁暴期间,引发一连串的几个主要和次要的亚暴周期重叠,导致随机地磁波动,空间本地化尾巴等离子体流,和极光电离层高度动态的降水模式(上地et al ., 1992;Uritsky et al ., 2001;福赛斯et al ., 2007;Borovsky Yakymenko, 2017)。如果装卸过程发生在全球和quasi-periodically的近似周期2 - 4 h,然后它被称为全球锯齿振荡(Borovsky 2004;Partamies et al ., 2009)。最后,如果这个能量不断释放到内部磁气圈而不是存储在磁尾,那么它就是一个稳定的磁性层的对流活动(例如,Partamies et al。(2009)]。

在地磁亚暴,压缩的磁尾原因重新连接在阴面,导致磁场线的去极化和反对流动的带电粒子沿电场线。这个反对流线圈产生的指控E×B带电粒子的漂移和等离子体向地球(能够et al ., 2012;香农和楚,2016),增强了内部磁气圈的人口。这些带电粒子可以通过field-aligned进入电离层电流和通过亚暴当前楔,形成在风暴的主要阶段(Akasofu 2021)。亚暴当前楔是动态的,是允许等离子体地球的磁气圈和电离层之间传输(例如,Kepko et al。(2015),香农和朱棣文(2016)]。综述了在Akasofu (2021),它的特点是高纬度地区地磁AL指数下降和增加在低纬度地区的基地。AL指数是极光电喷流指数测量地磁水平分量的变化地球磁场在北半球的极光椭圆。具体来说,基地旨在衡量西部极光电喷流的强度,目前的结构,在为亚暴,是增强了电流与亚暴当前楔(Ganushkina et al ., 2015)。

4.5.3地磁风暴

在更大的尺度上,地磁风暴代表地球的磁气圈的主要扰动不限于高纬度地区(例如,冈萨雷斯et al。(1994),海恩斯et al . (2019)]。虽然亚暴的代表装卸的基本过程的能量磁场,从而引起广泛的太阳风的驾驶条件下,地磁风暴(特别是强事件)必须有一个高速流或芝加哥商品交易所作为其驱动程序,因为它代表了一个更大的输入的能量(Lakhina Tsurutani, 2016;Vennerstrom et al ., 2016)。注意,地磁风暴没有必要有一个亚暴,但亚暴的发生在地磁风暴。然而,确切性质和存在,substorm-geomagnetic风暴互动仍然是一个重要的焦点和争议在磁性层的动态(Sharma et al ., 2003)。

像亚暴,地磁风暴也可以被分解为不同的阶段冈萨雷斯et al。(1994)和Akasofu (2021)。突然风暴开始,第一个是,在没有找到所有风暴,代表一个冲击影响磁层。的增长阶段地磁风暴通常被定义为地磁风暴干扰时间的增加(Dst)指数(klima et al ., 1998)。昼磁层被压缩,极地冰冠的通量增加(Vennerstrom et al ., 2016)。的主要阶段地磁风暴被定义为一个大型和Dst指数大幅下降数百元。亚暴活动非常活跃在这段时间里,和环电流建立了对称的(例如,Lakhina和Tsurutani (2016)]。除了加强全球环电流显著增加辐射带高能粒子通量的通常是风暴期间观察到的。极地冰冠的通量下降在此期间,和等离子体层的外层皮。磁暴的复苏阶段被定义为一个渐进稳定增加Dst和极地冰冠。磁气圈的配置将逐渐恢复到集中在首次相条件。等离子体层将羽由于破坏和地磁风暴活动,这可能会达到过去磁层(Akasofu 2021)。

4.5.4粘性相互作用

而开放的磁气圈和Dungey循环代表大多数的能量转移到地球的磁气圈(Dungey 1961),这些条件需要国际货币基金组织的负面(向南)B_z太阳风传授其能量的光面上的磁层磁场重联通过磁层。如果国际货币基金组织B_z是积极的(向北),能量还是转移到磁气圈,虽然速度慢得多(例如,Tsurutani和冈萨雷斯(1995),Borovsky (2013)]。这个过程称为粘性相互作用作为第一所定义的埃克斯福特和海恩斯(1961)和代表磁电流片仍然创造了即使在这些积极的,(向北)B_z条件。所讨论的硕士(2018)一颗行星的磁场,太阳风离子影响磁层和在它创建一个当前旋转。这将导致负面的建立和正电荷的侧翼磁磁尾。这些相反电荷然后创建电场导致等离子体在磁尾大部分移向内磁气圈。虽然这种机制存在于开放和封闭的磁层,与Dungey周期不同,它更有助于磁气圈的能量转移整体正如前面所讨论的那样。

5空间天气作为一个相互联系的系统

整个空间天气系统可能被视为一个复杂的太阳和地球之间的互连,如图所示图14。特别是,它描述了现象,影响系统和技术在轨道和地球上(例如,Piersanti et al。(2017),Piersanti et al。(2020)]。前面部分显示,太阳的内部结构有一个内层的等离子体不同旋转创建太阳能发电机和发电太阳磁场。一些太阳能结构,如日冕洞,“开放”磁场线并生成高速太阳风流,它超越太阳地球在星际空间和创造空间天气条件。这个微分旋转也会影响太阳周期,因为它可以扭曲的磁场,是其中一个因素,建立磁能量通量绳的形式,随着周期从一个太阳能安静系统,发展到越来越迷失方向太阳能最大系统,太阳磁场的复杂。高的太阳活动期间,太阳的磁极是相反的。

图14

图14。流程图描述空间天气系统的相互联系的性质和各种空间天气现象之间的联系和结构在太阳系由综述论文。

那么动能和热能有助于磁场重联太阳等离子体,进一步帮助不稳定的发展。这种不稳定的磁通管触发的基本驱动磁场重联空间天气事件,如所示图14。

“开放”字段行加上太阳的自转形成太阳能螺旋的方向会影响空间天气系统外的太阳大气和日球层。例如,传播等带电粒子SEPs倾向于遵循帕克的磁力线螺旋因为电磁相互作用导致这些带电粒子沿着轴旋转的磁场线传播时,其远离太阳,在3.2节讨论。在太阳粒子加速导致9月事件可以穿透地球的磁气圈和高层大气,使他们能创建危害人类健康和电子元件(Garcia-Rigo et al ., 2016)。逐步9月事件,这常常发生在成群,往往造成更大的风险比冲动(克莱因和Dalla, 2017年)。

此外,太阳风环境影响星际冲击和icm的向外传播,在星际冲击可能会加速粒子的传播路径(例如,Pallocchia et al。(2017)]。高速流可以创建区域的压缩和湍流等离子体与太阳风速度环境交互。

这个高度结构化的太阳等离子体流出影响磁层通过Dungey周期导致存储在磁尾的能量,导致隐没在磁场重联允许带电粒子之间的相互作用由太阳风与地球的上层大气。

因为这些电子和质子非常精力充沛,当它们碰撞的原子和分子氧,氮,等在地球大气层,他们激发这些粒子,这导致它们辐射(施罗德et al ., 2021)。这个过程中描述拉塞尔et al。(2016)和结果中可以看到的一个例子图12 b,极光是由许多不同的颜色,这对应于什么类型的原子或分子很兴奋。例如,氧气通常创建包含大部分的极光的绿光,而原子氮会导致蓝辉光(Lummerzheim 2009)。极光是由这些带电粒子,大极光的显示需要大大量的等离子体到上层大气,像在Dungey周期亚暴和地磁风暴。此外,极光是越接近赤道,太阳风驾驶条件必须越强,比如在快速移动的CME事件。

虽然极光是展示大量的能源太阳给予地球的磁气圈,其他类型的能量转移可以在我们现代化的基础设施也有不利影响。例如,太阳耀斑会产生强大的x射线,降解通常(或块)高频无线电波用于无线电通讯(Frissell et al ., 2019)。他们到达地球的8分钟,被称为无线电停电风暴。此外,在摄动地磁条件,如ICME的影响后,其他如field-aligned(或磁性层的电流Birkeland)电流传输能量和等离子体在地球的磁气圈和电离层之间magnetosphere-ionosphere耦合(的过程中Coxon et al ., 2015)。这直接影响卫星在地球同步轨道卫星等高纬度地区。此类事件也会导致像无线电停电影响,能够破坏电子在轨道和地球上。

这些事件也会导致巨大的眼睛感应电流通过电磁感应(gic)中描述Pulkkinen et al。(2017)。新加坡政府投资公司可以有重大影响,例如增加腐蚀在地下的石油和天然气管道和饱和变压器电网造成停电或永久性损伤(Pulkkinen 2007)。正如上面所讨论的,太阳风暴可以创建一些影响,如极光,新加坡政府投资公司和地磁风暴,可以修改信号从无线电导航系统(GPS和GNSS)导致退化的准确性。此外,大量的辐射和带电粒子,如在9月事件产生地面增强,会损害卫星和证明有潜在危险的载人航天任务。

总结,太阳直接和间接影响的日球层的状况直接影响到地球的磁气圈的条件,进而会影响我们的日常生活。整个系统是大大互联,系统的每个部分都有一个重要的角色在日球层及其动力学的轻快地跳舞。中的图表图15显示了大量的空间天气对社会的潜在影响,强调在整个领域研究的重要性。

图15

图15。插图的空间天气会导致很多的社会影响。效果包括损害电子轨道环绕地球运行,宇航员和乘客辐射风险,通信干扰无线电和GPS等停电,电网中断风险克兰麦et al。(2017)。影像学分:欧洲航天局(ESA)。

重要性的增加空间天气对我们推进社会领域引发了空间天气预测,在复杂的模型用来预测太空天气事件及其传播整个日球层。空间天气建模社区的一个重要工具是社区协调建模中心,或CCMC, NASA戈达德太空飞行中心,它提供了仿真运行在各种空间天气模型和分数他们的准确性(伊斯特伍德et al ., 2017)。而本文的范围进一步限制我们从讨论空间天气预报,伊斯特伍德et al。(2017)提供了一个全面的综述磁性层的空间天气预报的基础Cicogna et al。(2021)和Stumpo et al。(2021)提供有用的讨论太阳耀斑和9月事件的预测,分别。

6结论

这种“用户指南”或第纸设计对理解磁连通空间天气系统对于那些不熟悉的主题领域。因为空间天气是一个庞大的学科覆盖大量的互连系统,很难评估系统的基本概念,是可以理解的和短暂的。因此,本文旨在探索太空天气系统的基础知识,以及它如何影响我们的日常生活中,对于那些可能不一定有时间,资源,或专业知识梳理所需的大量科学文献理解这个话题。作者认为一般的理解空间天气对越来越多的人很重要和专业技术,往往容易受到空间天气事件,继续在我们的日常生活中发挥越来越大的作用。

作为一个系统,磁互连空间天气可以归纳为以下方面:

1。地下流等离子体在太阳内部存储和逐步建立能源拖太阳磁场线以及等离子体的流动,导致太阳磁场缺陷,导致能量的存储在磁通绳索。这种能量积聚然后被释放出来通过磁重联,导致太阳能材料和磁场的快速爆发的形式空间天气现象如cme,太阳耀斑,9月的事件。

2。磁重联释放能量的磁场将太阳风。太阳风的属性和空间天气事件如cme等太阳磁场重联的直接后果。太阳风传输太阳的磁场配置到星际介质。

3所示。在穿越日球层之后,太阳风影响地球磁场,传授其能源通过在磁层磁场重联。这种能量然后转移到地球大气层通过磁重联磁尾在磁暴和亚暴的,允许创建标志性的极光和地球的当地环境的激发。

基于这些过程,不同的空间天气事件驱动磁场重联影响我们的日常生活。这些影响可以看到来自外太空,宇航员和卫星等影响,对电网的影响和管道在地面上。由于社会对技术的依赖,这些过程的重要性的理解是至关重要的,以更好地准备这些事件。

作者的贡献

JB-wrote磁气圈部分,主要编辑工作的结论。CR-wrote太阳能部分,一般编辑/结构,研究结论,管理数据。DS-general编辑/结构,磁气圈部分文献综述。HC-wrote日球层部分。VM-wrote互连部分,一般编辑/结构,编制书目,研究结论,太阳能部分文献综述。VU-wrote介绍/文摘、资金总体结构、引入文献综述,文献综述。

资金

这项工作在一定程度上支持通过合作协议NNG11PL10A和80之间nssc21m0180 NASA戈达德太空飞行中心和美国的天主教大学。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

出版商的注意

本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。

确认

作者感谢e·d·弗莱彻,m . Jeunon j . r . Mejia-Ott j . Nosowitz和l . m . Vazhayil那些对他们的援助的初步评估审核材料和有用的讨论。作者还感谢安娜博士德琼深刻讨论关于空间天气系统。此外,作者感谢杰克比他的北极光摄影的使用。

脚注

¹国际标准单位在本文用于方程。

引用

艾奇逊,d . j . (1979)。在阳光下磁性浮力。自然277年,41-42。doi: 10.1038 / 277041 a0