[论文解读] Relations between variability of the photospheric and interplanetary magnetic fields, solar wind and geomagnetic characteristics

E. Gavryuseva|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2018

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 10被引用 3

一句话总结

本研究利用 WSO 和 OMNI 数据，直接比较了 1976–2004 年太阳纬度范围内的光球磁场变化与日球层及地磁参数的关系，揭示了太阳风和地磁响应的两组不同特征：一组由行星际磁场（IMF）和太阳风参数驱动，另一组则与 IMF 的 Bz 分量及其相关地磁指数相关。关键发现是，不同纬度的太阳磁场拓扑结构决定了日球层和地磁变化的两条独立响应路径，且无需依赖理论模型或假设。

ABSTRACT

Large scale solar magnetic field topology has a great influence on the structure of the corona, heliosphera and geomagnetic perturbations. Data obtained over the last three solar cycles have been analysed to reveal the relationships between the photospheric field measured along the line of sight by the WSO group at 30 levels of heliolatitudes from -75 to 75 degrees and the interplanetary magnetic field The main aim of this first paper is to make a direct comparison between the basic structure and dynamics of the photospheric magnetic field and components and intensity of the interplanetary magnetic field % solar wind and geomagnetic parameters without using theoretical assumptions, models, physical expectations, etc. The second paper by Gavryuseva, 2018d presents the raports between different characteristics of the solar wind at the Earth orbit, and geomagnetic parameters provided by the OMNI team. % Data obtained over the last three solar cycles have been analysed % to reveal the relationships % between the photospheric field measured along the line of sight % by the WSO group % at heliolatitudes from -75 to 75 degrees averaged over one year % and the interplanetary magnetic field, different characteristics % of the solar wind at the Earth orbit, and geomagnetic parameters. % provided by the OMNI team. The heliospheric and geomagnetic data are found to be divided into two groups characterized by their response to variability of the solar magnetic field latitudinal structures on short and on long time scales.

研究动机与目标

• 建立光球磁场（SMF）变化与日球层/地磁参数之间直接、无模型依赖的关系。
• 研究太阳磁场纬向结构如何在长短期时间尺度上影响太阳风和地磁响应。
• 基于对光球磁场和行星际磁场不同分量的敏感性，识别太阳风和地磁指数中的不同响应模式。
• 确定 SMF 变化与日球层及地磁参数效应之间最优的时间延迟。
• 通过无理论假设的经验相关性分析，揭示太阳-地球耦合的物理基础。

提出的方法

• 使用每日威尔克斯太阳观测台（WSO）数据，获取从 -75° 到 75° 的 30 个太阳活动纬度的视线方向光球磁场（SMF）。
• 对 SMF 和 SW 参数分别应用 1 年和 4 年的移动平均，以分离长期（SMF, SW）和短期（FMF, FSW）变化分量。
• 将 1 年平均与 4 年平均的差值计算为残差（FMF, FSW），以隔离短期波动。
• 计算不同纬度下 FMF 与 FSW 参数（如 B, Vp, Np, AE, DST）之间的互相关系数（K_cor），并优化时间延迟。
• 分析互相关系数的纬向依赖性，以识别对日球层和地磁响应最具影响力的太阳磁场区域。
• 使用 OMNI 数据库提供的日球层参数：行星际磁场（B, Bx, By, Bz）、太阳风速度（Vp）、质子密度（Np）、压力（P）、温度（Tp），以及地磁指数（AE, Kp, DST）。

实验结果

研究问题

• RQ1 光球磁场的纬向结构如何影响行星际磁场和太阳风参数的变异性？
• RQ2 光球磁场变化与日球层及地磁参数效应之间的时间延迟是什么？
• RQ3 哪些太阳风和地磁参数在不同纬向区域对光球磁场变异性表现出一致的响应？
• RQ4 是否存在若干组日球层和地磁参数，其对光球磁场动力学的响应模式相似？
• RQ5 地磁指数（AE, Kp, DST）对 IMF 的 Bz 和 By 分量及其纬向驱动源的响应如何相关？

主要发现

• 基于与光球磁场变异性之间的相关性，识别出两组不同的太阳风和地磁参数：一组主要受 IMF 幅值（B）和太阳风参数（P, Np, Vp）主导，另一组则受 Bz 和 By 分量主导。
• 光球磁场变异性与 IMF B 分量之间的相关性表现出显著的纬向依赖性，峰值出现在 ±25° 和 ±55° 太阳活动纬度，表明这些区域是日球层磁场变异性的重要来源。
• AE 指数（反映极光电集流活动）对 IMF 的 B 和 P 分量的响应相似，表明低纬度光球磁场是其共同驱动源。
• Kp 行星指数表现出独特的响应模式，与 IMF 的 Bz 和 By 分量强相关，表明高纬度（±55°）磁场结构在驱动地磁风暴中起主导作用。
• DST 指数（反映环电流强度）与 Kp 和 Bx 呈反相关，对来自 ±55° 以下纬度的 Bz 和 By 变化表现出显著敏感性。
• 在 ±55° 纬度处，光球磁场的短期变异性（FMF）与太阳风和地磁的短期波动具有最高相关性，表明这些纬度是瞬态太阳风扰动的主要来源。