日冕物質拋射（CME）是災害性空間天氣的主要驅動源，針對特定的CME/太陽風暴事件，瞭解其日冕/行星際傳播及演化過程，預報是否以及何時到達地球軌道，預測近地空間太陽風狀態的變化，是空間天氣科學界關注的重要課題。
中國科學院國家空間科學中心空間天氣學國家重點實驗室研究員沈芳、博士生劉佑生、博士後楊易，以漸變圓柱殼（GCS）模型為基礎，建立一種新的三維CME磁繩模型，在三維MHD背景下對新的CME磁繩模型的初始幾何引數和物理設定對於不同位置處行星際空間模擬結果的影響開展了細緻的引數研究。第一個模擬工作針對初始CME傳播方向沿著日地連線的情況下展開，討論了CME初始引數，包括密度、幾何大小、質量以及磁場對地球和火星位置處數值模擬結果的影響，結果表明，改變初始磁場會影響CME到達地球時的地磁效應，但幾乎不會影響CME在行星際空間傳播的動力學過程；改變初始密度或幾何尺寸會影響CME的傳播過程，包括CME激波到達地球和火星的時間以及CME在行星際空間的傳播速度；若同時改變初始密度和幾何尺寸但保持初始質量不變，CME的傳播過程則沒有明顯改變，上述成果發表在The Astrophysical Journal Supplement Series上。
第一個模擬工作的基礎之上，沈芳等進一步探究了CME磁繩模型的初始引數對相同日心距、不同經緯度位置的模擬結果的影響。該研究選取了不同相同質量但不同尺寸、密度及磁場的5個Case展開模擬，分別比較了位於地球附近、南北緯10度、20度、30度，東西經10度、20度和30度位置處的激波到達時間、速度、密度和磁場的峰值。模擬結果表明（圖1、2），與第一個模擬結果不同的是，在CME初始質量保持不變的情況下，在遠離CME傳播的方向上，其初始大小和密度對CME在行星際空間的傳播過程有顯著影響，且CME模型的初始大小對不同經緯度位置的影響不是對稱的，例如，初始CME大小對CME在行星際空間傳播過程中緯度方向的影響要遠比經度方向顯著。另外，由於CME在行星際空間傳播過程中收到背景太陽風結構的影響，其偏轉在經度和緯度方向均有發生，具體來說，在5個Case中的所有的CME均發生了向南和向東的偏轉，這個偏轉的過程是由於快速CME與背景太陽風中的CIR（共轉相互作用區）發生相互作用產生的。未來，研究人員將結合Parker Solar Probe、Solar Orbiter、ASOS等衛星的觀測資料，對更豐富的初始引數、不同CME速度、不同太陽風背景，以及對不同的行星際位置處的影響，展開進一步的引數研究，以期對行星際空間的空間天氣數值預報等研究做出新貢獻。相關成果發表在The Astrophysical Journal上。
日冕區連線太陽表面和行星際空間，三維日冕太陽風模擬是太陽風三維磁流體模擬中的重要組成部分，其中日冕太陽風加速加熱是日冕三維太陽風模擬中亟待解決的難題之一，而磁場散度處理也是磁流體力學模擬中需要解決的關鍵問題。近日，沈芳和碩士研究生劉暢等在太陽風日冕數值建模中磁場散度保持和加熱加速處理研究中取得新進展。該研究利用近年來發展的三維日冕行星際COIN-TVD MHD模型對日冕區三維太陽風進行模擬研究，採用體積加熱法對日冕加速加熱過程進行模擬，透過調節體積加熱項的引數，生成符合日冕區太陽風高溫高速特點的穩態結構；探討不同的磁場散度處理方法對日冕太陽風結構的影響，分別採用Powell法、擴散法、擴散-Powell組合法處理磁場散度問題，模擬結果表明（圖3），將Powell法和擴散法組合起來處理磁場散度可將相對磁場散度誤差控制在10-9-10-6，擴散-Powell組合法與COIN-TVD模型結合能充分發揮其控制磁場離散的能力，它不僅可以有效減小磁場散度誤差，而且可以確保MHD方程的守恆性。相關成果發表在Frontiers in Physics上。
圖1 不同初始幾何形狀的5組CME事件（不同顏色線條）在不同緯度位置處（a-g分別表示地球、北緯10、20、30度和南緯10、20、30度）的數值模擬結果對比（從上到下依次為：密度、速度、總磁場和Bz）
圖2 不同初始幾何形狀的5組CME事件（不同顏色線條）在不同緯度位置處（a-g分別表示地球、西經10、20、30度和東經10、20、30度）的數值模擬結果對比（從上到下依次為：密度、速度、總磁場和Bz）
圖3 三種磁場散度處理方法對日冕太陽風模擬過程中磁場散度誤差消除作用的比較，紅線代表擴散法，綠線表示Powell方法，藍線代表擴散-Powell組合法
來源：中國科學院國家空間科學中心
