973计划项目方案结题分析总结报告.doc

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1、|国家重点基础研究发展规划项目结题验收材料（一）项目结题总结报告项目名称：太阳剧烈活动与空间灾害天气项目编号：G2000078400 起止年限：2000 年 2005 年项目负责人：汪景琇研究员联系地址：北京朝阳区大屯路甲 20 号，邮编 100012中国科学院国家天文台主要承担单位：中科院国家天文台南京大学中科院紫金山天文台中国科技大学中科院地质与地球物理所中科院武汉物理与数学所项目依托单位：中国科学院中华人民共和国科学技术部制二五年十月|1、项目结题基本信息表一 973 计划项目结题基本信息表 项目编号：TG2000078400 项目名称 太阳剧烈活动与空间灾害天气起止年月 2000 年

2、10 月至 2005 年 9 月项目首席科学家 汪景琇 单位 中国科学院国家天文台依托部门 中国科学院 参加人员总数 57第一承担单位 中国科学院国家天文台 承担单位数 9项目总经费 4881.1 万元其中 973 计划资助总额 2288.7 万元累计部门、单位匹配 1371 万元累计从研究单位获得的人员费 1140累计获得的其它资助 81.4项目执行情况 01 01 按期结题 02 提前结题 03 延期结题 04 其他课题编号 课题名称 课题负责人 承担单位 起止年月01 太阳磁场演化和磁通 量输出 张洪 起 中国科学院国家天文台 2000.10-2005.902 耀斑的时空结构及能 量输出

3、 方成 南京大学 2000.10-2005.903 太阳高能粒子的起源 与输出 颜毅 华 中国科学院国家天文台 2000.10-2005.904 CME 的太阳起源和磁化等离子体输出汪景琇中国科学院国家天文台 2000.10-2005.905 行星际空间对 CME 的响应过程 王水 中国科学技术大学 2000.10-2005.9课题设置06 磁层空间暴和磁层对 太阳事件的响应 徐文 耀 中国科学院地质与地球 物理研究所 2000.10-2005.9|07 电离层暴和电离层对 太阳活动的响 万卫 星 中国科学院地质与地球 物理研究所 2000.10-2005.908 空间天气预报的物理 基础和方

4、法 王华 宁 中国科学院国家天文台 2000.10-2005.92、 项目主要研究内容和预期目标本项目着重研究太阳活动及其对人类生存的日地环境的影响，特别是太阳剧烈活动的成因，及在剧烈活动中爆发式增长的电磁辐射、高能粒子流、磁通量和磁化等离子体抛射对太阳风和行星际介质、磁层、电离层和高层大气的作用，从而形成空间灾害天气的物理过程，建立和发展空间天气预报的物理基础。这是当代空间科学中最困难、最富挑战性和最能造福人类的多学科交叉的重大科学难题。它适应面向 21 世纪的中国空间技术、空间探测乃至空间产业的重大需求，并将对宇宙科学中的一个基本问题，带电物质与磁场的相互作用的研究，做出原创性的贡献。这一

5、项目是天文学、空间和地球科学相结合的基础研究项目。它以奠定我国日地空间灾害天气预报的物理基础为国家目标，适应多学科交叉发展的趋势，聚焦于太阳的剧烈活动及其驱动的日地空间灾害天气的机理，力图在新的学科生长点取得原创性的科研成果。按照计划任务书的构想，在这一研究中揭示的太阳变化和空间灾害天气的因果联系，形成的新的概念和理论，不但将为发展我国空间天气预报准备必要的科学基础，而且将为我国空间天气地基和空间观测网的建设等大科学工程做理论和概念准备。2.1 主要研究内容1）太阳剧烈活动的能源来自磁场，系统地研究导致剧烈太阳活动如耀斑、日冕物质抛射（CME）的向量磁场结构、演化，取得定量的观测结果，以独立磁

6、拓扑之间的相互作用来理解和构筑唯象和数值模型，乃至物理模型，为理解剧烈太阳活动形成的物理机制和其中粒子加速等高能物理过程，为太阳活动预报提供物理基础。这一研究是关于太阳活动的磁活动机理的研究，包括活动区向量磁场的结构和演化的系统观测，活动区电流、磁螺度和拓扑奇异性|的观测和理论研究，活动区和大尺度磁场的理论外推和数值模拟。2）充分利用国际空间观测、特别是 SOHO、TRACE、和刚刚投入工作的 Hessi等最新的观测，结合我国地面观测等多波段资料进多波段自洽的物理诊断和分析，建立耀斑、CME 的磁流体力学和辐射大气动力学模型，系统地理解其中初始能量释放，粒子加速和传播，以及等离子体响应过程，以

7、利于理解太阳输出变化对背景太阳风和行星际的影响过程。在这一研究中将综合地面和空间多类数据和多波段的系统分析，并与磁场观测相结合，理解对空间天气有重要影响的耀斑、CME、空间暴等的形成机理。3）发挥我国世界先进水平的太阳和日地物理观测系统的作用，取得从太阳表面向量磁场演化、太阳剧烈活动的时空结构、动力学，即包括扩展的日冕物质抛射、行星际激波、磁量重联、磁暴、磁亚暴，空间离子暴和电离层暴的多学科多波段的光谱、频谱、成像和流量的时间演化系统，从而认识空间灾害天气形成中的因果联系和基本物理问题。研究太阳风和 CME 与磁层的相互作用，磁层与电离层耦合，电离层与中层和热层大气的耦合，以理解空间天气事件的

8、形成和各个天气链条间的能量传输过程。4）把太阳大气、太阳风、日球作为一个积分系统，研究其中爆发式事件发生和发展过程，形成对空间灾害天气的检测、预报、预警的科学概念、方法和模式。对空间天气的可预报性、预报必需的观测基础、作为预报依据的主导性的物理规律、预报的不确定性及我国空间天气预报的发展战略得到初步的结论性的意见。2.2 预期目标1）在空间天气过程的关键环节取得突破性进展。预计可望取得重大突破性进展进展的方面包括太阳向量磁场的演化、耀斑中的粒子加速、CME 的太阳源区认证、太阳风加速机制、空间暴的形成机理、磁暴磁亚暴理论模型、我国电离层暴的发展规律，以及空间天气的物理预报的原理等。 。2）对空

9、间天气总体过程的时空结构得到更为清晰的物理图象，如日地空间多个层次对太阳输出剧烈变化的时空响应和因果关系。 通过几个重大空间天气事件的系统观测的分析研究，理清基本的链条和其中决定性的物理过程，在空间天|气综合研究上取得重要进展。3）为保证我国不迟于发达国家能在 2005 年前后开展实时空间天气预报提供决策和物理基础。提出对中国国家空间天气实施计划的咨询意见。4）为我国 21 世纪日地空间科学探测做好科学积累，提出新的突破性的思路和概念，在项目结束时能形成一两个大型空间计划的初步方案。通过项目的实施，一个基本的目标是实质性地提高我们的原创能力，并在太阳剧烈活动和空间灾害天气研究中在国际上取得足够

10、的显示度，真正占有一席之地。3、项目研究计划的完成情况项目集中了我国太阳物理、空间科学、地球物理和中高空大气物理学领域一批最优秀的学者。在国家目标和学科发展趋势的导引下，项目组完满地完成了预定的研究计划，取得了一些重要的原创性研究成果，并在相关研究领域产生了重要的国际影响。项目组成员在项目执行期间获国家自然科学二等奖两次、国家科技进步二等奖一次，一名成员被选为中国科学院院士，11 名青年学者获国家基金委杰出青年基金和“百人计划”支持。项目组五年来发表 SCI 论文 628 篇，其中 SCIENCE 1 篇；应邀在国际最著名的天文学和天体物理学年鉴 （Ann. Rev. Astron. Astr

11、ophys.）发表评述论文 1 篇，这是中国天文学家首次获此殊荣，在这一最高层次的综述杂志发表论文；在重要国际会议作大会特邀报告 77 次（不含双边国际会议） ，包括在国际天文联合会（IAU） 、空间研究委员会(COSPAR)等编号学术会议 16 篇和国际天文联合会等地区性学术大会特邀报告 26 篇。项目执行期间发表的部分论文已得到国际同行 700 多次的 SCI 独立引用，多篇工作被收入国际新进出版的教科书。从 2002-2004 年一年一度关于整个天体物理的年评中（PASP, Trimble Liu Zhang et al. 2001）在国际上产生重要的影响。利用怀柔太阳磁场和速度场的大量

12、观测资料，在太阳耀斑活动区强剪切磁反变线附近的拓扑性质，太阳光球矢量磁场（电流，螺度）变化、非势磁能的形成、释放和耀斑日冕物质抛射的联系等基本科学问题取得重要进展。4.2 日冕磁场的三维理论重构取得重要进展目前关于太阳大气磁场计算的方法仍未成熟，美国 2000 年版的国家空间天气计划将日冕磁场的重建列为模型研究中的一个重要内容。我们曾首次得到了具有有限能量的一般（非常）无力磁场问题的边界积分方程，成为国际公认的基本方法之一，得到国内外学术权威的重点评述与引用。项目组对这一方法的原理和可靠性作了进一步的研究。系列研究工作已被美国学者在Spinger 出版社新近出版的Physics of Sola

13、r Corona （Springer,2005）教科书中单列一节介绍其方法原理。在这一系列的工作中，课题组首次以我国向量磁场观测数据为基础，经上述非线性无力场理论外推方法，重建得到悬浮在太阳低层大气中的磁绳（Flux Rope）结构，它与 H观测到的暗条位置一致，也与空间 TRACE 卫星紫外波段观测到的一个间歇性产生的亮条位置一致 （Yan et al. 2001） 。这项工作很快得到国际学者的多篇 SCI 论文的重点引用。Manoharan 等（2001）利用 IPS 独立观测得到与之符合的磁能估计。有关工作分别应邀在 IAU Symposium 226,“世界空间环境论坛” 、 “空间环

14、境中的高性能计算研讨会”和第十届欧洲太阳物理会议等 10 个国际会议上作特邀报告。寻找向量磁场的奇点并研究其邻近区域磁场结构，对发展三维磁重联理论有关键性的科学意义。研究生赵辉在导师的指导下（2005）由微分几何的方法首次得到在太阳三维向量磁场中确定磁场奇点（Null Points）的定量方法。方法一经提出，立即为空间 Cluster II 地球磁层的观测分析所采用，并首次在地球磁尾捕捉到磁重联零磁场点。这一方法得到美国学者的重视，基于该方法于太阳活动区磁场研究的合作研究已经开始。4.3 日冕物质抛射的源区和初发过程的开拓性研究|日冕物质抛射是空间灾害天气的主要驱动者，是把太阳剧烈活动和空间灾

15、害天气联系起来的主要媒介。日冕物质抛射的源区证认和初发过程研究成为认识空间灾害天气成因和预报日冕物质抛射的关键。项目组结合 SOHO 的空间观测和怀柔等国内外地面观测资料，筛选了本次太阳周从太阳活动谷期到峰期（1997-2003）的完整的对地日冕物质抛射的样本，系统地证认了样本中 288 个对地日冕物质抛射在紫外、X 射线、H等波段观测到的活动现象和源区的磁场特征。对日冕物质抛射和表面磁活动的关系进行了详尽的统计研究，揭示了日冕物质抛射与太阳表面活动的强相关关系 - 即所有日冕物质抛射都伴有远紫外局部增亮，90%以上的日冕物质抛射与暗条爆发相关（Zhou et al.2003） 。基于全新的思

16、考，详细研究对地日冕物质抛射初发区的大尺度的磁场特性，在国际上第一次对日冕物质抛射的大尺度源区作了系统分类。在四类日冕物质抛射源区大尺度磁场结构中，有三类磁结构，如扩展的双极区（Extended Bipolar Region）和跨赤道暗条及其相联系的剪切磁拱在日冕物质抛射中的作用是项目成员在文献中首次描述的（见 Zhou et al. 2005） 。通过研究与日冕物质抛射相联系的太阳活动区向量磁场的详细演化，发现大尺度日冕物质抛射与小尺度磁通量对消的关系，从而揭示在太阳低层大气中的磁重联在触发日冕物质抛射中的作用（Zhang et al. 2001） ，得到国际学术界的承认，并应邀在 IAU

17、Symp.226 和 Cospar 大会 Session E2.2/D3.3 作大会特邀报告（zhang et al. 2005; Wang 2004） 。对多个活动区向量磁场演化的研究，发现导致日冕物质抛射的磁浮现总是携带与活动区主导符号相反的磁螺度。这一发现对关于活动区螺度积累导致日冕物质抛射的理论模型，即螺度加载模型，提出了挑战, 为日冕物质抛射初发的预报提供了一个可能的依据 （Wang et al. 2004） 。提出“相似日冕物质抛射”的三个判据；基于高分辨率MDI 磁图的详细观测，证实相似日冕物质抛射与巨单极黑子周边的运动磁结构有紧密的联系。提出运动磁结构能触发日冕物质抛射（Zha

18、ng & Wang 2002） 。4.4 提出新浮磁流的日冕物质抛射触发模型观测统计研究表明，有两种有利于磁重联的磁流浮现常导致 CME：一种是磁流浮现发生在暗条通道处，且具有同跨越其上的磁位形相反的磁极性；另一|种是磁流浮现发生在暗条通道之外侧，但其极性也有利于发生磁重联。通过求解二维时变可压缩 MHD 方程组，数值模拟了磁流浮现触发日冕物质抛射 (CME)的过程（Chen & Shibata 2000） 。结果表明，有利于磁重联的磁流浮现的确可以使磁绳失去平衡，并在其下面形成电流片。磁绳失去平衡后产生的快速磁重联可导致 CME 的发生，并且也可产生 cusp 形的耀斑或 X 射线拱状物。在

19、磁绳的上面和下面还将出现快激波。它们是与 CME 有关的两类 II 型射电暴之源。由此，提出 CME 由磁流浮现而导致磁绳爆发的模型。它清楚地再现了 CME 产生和演化的动力学过程，可解释某些 CME 的结构、时变曲线、CME 和耀斑的关系等一系列观测结果。目前新浮磁流与日冕磁场磁重联过程的三维数值模拟正在进行之中。这一理论研究得到广泛的国际引述，并被权威学者 Gopalswamy 列为主流日冕物质抛射触发模型之一（Gopalswamy,2005） 。 著名学者 Shibata(2005)在总结日冕物质抛射模型时指出， “在这一模型中，与新浮磁流相联系的小尺度的磁重联（磁对消）触发远离其上的

20、X-中性点的大尺度磁重联。在这个意义上，这一模型可分类为汪和史的两阶段磁重联模型。Kusano 的螺度湮灭模型、Antiochos 等的爆裂模型和 Moore & Roumeliotis 模型也都属于两阶段磁重联模型。 ” 4.5 提出日冕 EUV 波的完整新思想和新理论日冕 EUV 波是近年空间观测的新发现，是日冕物质抛射在日面的可观测特征。 对日冕 EUV 波的认识是理解日冕物质抛射形成机制的关键。项目组关于EUV 波的磁流体力学（MHD）数值模拟取得系列重要进展：指出 EUV 波不是日冕快磁声波（即 Moreton 波）, 而是对应于暗条上方闭合磁力线的打开过程在太阳过度区的效应，重建了

21、与观测符合的 EUV 波理论和模型 (Chen et al. 2002,2005)。为欧美学者的日冕光谱空间观测所证实（Harra et al.2003） 。过去人们普遍认为，Moreton 波是耀斑产生的，而日冕 EUV 波则是色球Moreton 波的日冕对应物。陈鹏飞等的研究（2003，2005）表明，日冕物质抛射才是 Moreton 波的驱动源，EUV 波不是 Moreton 波，而是对应于暗条上方闭合磁力线的打开过程，从而成功地解释了为什么 EUV 波的速度只有 Moreton 波的三分之一左右等一系列观测事实。对日冕 EUV 波的数值研究还表明，日冕EUV 波在冕洞及其它活动区边界停止，而快磁声波却能够穿越冕洞及其它活动