5A文973计划项目结题总结报告.docx

1、5A文973计划项目结题总结报告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：G20XX078400 起止年限：20XX年 20XX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：TG20XX078400 项目名称太阳剧烈活动与空间灾

2、害天气起止年月20XX年 10 月至 20XX 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0101按期结题 02提前结题 03延期结题 04其他课题设置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20XX.10-20XX.902耀斑的时空结构及能量输出方成南京大学20XX.10

3、-20XX.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20XX.10-20XX.904CME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20XX.10-20XX.905行星际空间对CME的响应过程王水中国科学技术大学20XX.10-20XX.906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20XX.10-20XX.907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20XX.10-20XX.908空间天气预报的物理基础和方法王华宁中国科学院国家天文台20XX.10-20XX.92、 项目主要研究内容和预期目标本项目着重研究太

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、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20XX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

10、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. Astrophys.）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

11、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20XX-20XX年一年一度关于整个天体物理的年评中（PASP, Trimble & Aschwanden）项目每年被评述的论文平均为18次。项目组成员作为科学和地区委员会主席，组织召开了国际天文联合会第226次学术大会，推动了国内外对“日冕和恒星物质抛射”的研究。 项目组充分发挥我国已建立的具有国际一流水平的磁场望远镜、射电宽带动态频谱仪和有特色的太阳二维成像频

12、谱仪等观测仪器的作用，充分利用国外空间观测资料，在太阳活动区和太阳剧烈活动的三维结构、时空演化过程、形成机理等研究方面，取得重要进展，在取得重要的观测研究成果的同时，提出了一些有影响的半定量和定量的物理模型，得到国际学术界的承认；取得了对本次太阳周两次最重大的太阳爆发事件（20XX年7月的Bastille事件和20XX年10-11月的Halloween事件）从太阳向量磁场演化和表面磁活动到日地空间扰动、磁层空间暴和电离层暴等的完整的时间序列和物理图象。 在国际上率先发表了对它们的研究成果，并由汪景琇在国际上建议和组织，为权威刊物Solar Physics组织了对Bastille事件的研究主题卷

13、（Solar Phys. 20XX,204）。项目有关课题组取得了本次太阳活动峰期国际上最完整的太阳向量磁场观测资料，为我国和国际太阳物理研究做出了重要的贡献。项目组在四年多的研究工作中，努力强化现有的太阳物理和日地物理观测能力，发展新的探测手段，实质性地抬升了我国日地物理的实测能力。完成了目前世界上最大口径的对称光路真空太阳望远镜的设计工作，解决了地平支撑、像场消旋、真空密封、高精度跟踪、Stokes光谱测量和数据获取等技术难题，研制完成了太阳塔的机械、电控系统，完成了厂内组装和两次机电联调，达到了预期的结果。项目组为日地空间科学探测努做了重要的科学积累，发展了突破性的新的思路和概念。项目组

14、成员为我国第一个科学卫星“双星计划”的实施作出了不可取代的贡献，又作为首席科学家先后提出了中法“太阳探测小卫星计划(SMES)”和在日地L1点进行空间天气监测的“夸父计划”，并进一步凝炼了空间太阳望远镜（SST）的科学目标。这三个空间计划都得到国防科工委民用航天项目的预研立项，为未来10-20年我国太阳和空间科学探测保持了强大的储势。为实现适时开展我国空间天气预报的国家目标，项目组组织了以“中国国家空间天气计划”为主题的香山科学会议，在会议简报中提出了关于中国国家空间天气计划的战略性思考；最近，以项目的研究成果为基础，进一步组织了关于国家空间天气实施计划的讨论，完成了呈报国家科技部的建议书，为

15、制定国家空间天气实施计划提出了系统的科学论证。各课题组完成计划任务的详细情况已展示在各课题组的总结报告中，在项目总结中将不再一一陈述。4、 项目研究成果的水平与创新性项目的研究成果表现在多学科的前沿领域和交叉领域。主要研究成果具有原创性，部分成果具有国际领先水平。作为涵盖太阳物理学、行星际物理学、磁层物理学、电离层物理学、中高层大气物理学和地球物理学等多学科领域的研究计划，项目的研究成果是大尺度和多方面的，涉及太阳和空间物理的基本问题。项目的研究成果体现在：1）在重大前沿方向的观测积累和重要的观测发现，2）提出和发展的在国际上有影响的理论模型和理论计算，3）在太阳和空间科学一些最基本的学科问题

16、上的重大进展，4）形成对学科研究有重要影响的创新集成研究。 这一总结通过列举部分原始创新性研究成果以阐明成果的水平和原创性。4.1 太阳向量磁场的可靠观测和关于太阳向量磁场结构与演化的领先研究 太阳向量磁场的可靠测量在太阳活动和空间天气研究中具有最重要的意义。它对太阳剧烈活动中基本物理过程的诊断和理论模型的检验是决定性的。项目组系统检验和完善了国家天文台怀柔太阳观测基地太阳向量磁场测量的理论定标（Su & Zhang 20XXa），从理论和实测两方面定量分析了磁光效应对磁场测量的影响 (Su & Zhang 20XXb)，通过对不同太阳天文台（怀柔太阳观测基地、美国夏威夷大学MEES天文台、日

17、本国立天文台）的矢量磁场观测的详细比对，确定了怀柔向量磁场观测的可靠性和不确定性，评估了当代太阳向量磁场测量的现状和前景（Zhang et al.20XX）。这些工作是实测研究中最具基础性的工作，是基于向量磁场观测的太阳物理研究的基础，对各国学者的向量磁场观测研究有重要的参考价值。 基于向量磁场的观测和理论研究取得重要进展。通过把太阳活动区电流分解成涡旋分量和剪切分量，张洪起（20XX）揭示了电流螺度与观测的磁场剪切与梯度的内在联系，并用于太阳活动区磁场的研究，为国际同行向量磁场研究所借鉴。 对典型太阳活动现象及其产生强烈日地物理效应的重大活动和太阳超级活动区的磁场特征进行了系统的观测研究。在

18、成功观测太阳23活动周峰年耀斑日冕物质抛射活动区磁场和速度场的基础上，项目组结合国际空间卫星YOHKOH、SOHO和TRACE 的观测资料，详细地研究了20XX年7月国际编号9077太阳活动区和正在研究的20XX年10月10486太阳活动区等。观测资料被国内外太阳物理学家广泛使用，相关研究论文（Deng 20XX; Liu & Zhang 20XX,20XX; Zhang et al. 20XX）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

19、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20XX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 Solar Corona（Springer,20XX）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

20、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（FluG 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. 20XX）。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（20XX）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

21、师的指导下（20XX）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

22、周从太阳活动谷期到峰期（1997-20XX）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、G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.20XX）。基于全新的思考，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（EGtended

23、 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. 20XX）。 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. 20XX），得到国际学术界的承认，并应邀在IAU Symp.226 和 Cospar大会Session E2.2/D3.3 作大会特邀报告（zhang et al. 20XX; Wang 20XX）。对多个活动区向量磁场演化的研究，发现导致日冕物质抛

24、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. 20XX）。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（Zhang & Wang 20XX）。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

25、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 20XX）。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G射线拱状物。在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

26、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,20XX）。 著名学者Shibata(20XX)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G-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E

27、UV 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，重建了与观测符合的EUV波理论和模型 (Chen et al. 20XX,20XX)。为欧美学者的日冕光谱空间观测所证实（Harra et al.20XX）。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（20XX，20XX）表明

28、，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区。观测还表明，EUV暗化(dimming)和EUV波是共生现象，但EUV暗化事件比EUV波要多得多，这表明在不同磁场环境下的EUV波的强度差异很大。为此，我们对不同磁场位形下EUV波的传播进行模拟，并将模拟结果合成出极紫外图像，以研究EUV波亮度与磁场位形的关系。考虑了真实的太阳大气模型

29、后对日冕物质抛射及耀斑进行了数值模拟，并将磁流体力学数值模拟结果合成出H、极紫外、和软G射线图像，结果表明日冕物质抛射导致的驱动激波对应观测到的软G射线波，其足点扫过色球形成H Moreton波，结果还表明H0.45偏带观测是探测色球Moreton波的最佳波段。4.6 在太阳风起源、加速和加热机制的研究中取得重大突破性进展 太阳风起源、加速和加热是长期困扰太阳物理和空间物理学家们的难题，现有理论中，或者假设条件过多，或者理论本身不自洽，都未能较好地给予定量解释。涂传诒等（20XX）联合分析SOHO飞船搭载的SUMER观测的离子发射谱线数据，并与MDI观测得到的太阳磁场的理论外推结果作相关分析，

30、得到具有不同电离温度的离子发射线的相关高度和表征太阳风外流发射线的相关高度，率先从数据分析中提出太阳风起源的确切高度为极区冕洞磁漏斗结构中光球层上方5000km至20XX0km之间。在此数据分析的基础上，进而提出了三维的太阳风物质供应模型,可以很好地解释太阳风在太阳低层大气中的起源。Science审稿人认为，“本文首次提供了漏斗中平均流动的详情，这对了解源区附近的太阳风的性质有重要意义”。 吴德金等提出的动力学阿尔文波加热机制成功地解决了以往研究中遇到的能量传输和耗散困难，对日冕加热机制及其他恒星热冕加热问题的研究提供了一个新的途径；其关于耗散孤立动力学阿尔文波加速机制对各种天体物理非热辐射现

31、象中普遍遇到的高能电子加速问题提供了一个新的机制。4.7白光耀斑研究位于国际前列 白光耀斑是一类特殊的耀斑，具有增强的连续辐射，通常对应于较强的耀斑。关于白光耀斑的发生概率、加热过程和辐射机制一直是一个争论的课题。我们通过二维光谱观测发现了多个白光耀斑，特别是首次在近红外波段8500附近探测到白光耀斑。通过多波段分析，发现白光辐射在空间和时间上和硬G射线辐射有较好的对应关系，比较明确地证明了白光耀斑起源于高能电子的轰击加热。我们进一步从理论上求解了高能电子加热伴随辐射加热（backwarming）从而导致白光辐射的定量模型，解决了低层大气加热效率不足的问题。有关白光耀斑的工作获得国际同行的多次

32、引用。例如，美国BBSO研究组在分析了近年来最强的近红外白光耀斑后认为我们提出的电子加热伴随向下辐射加热机制提供了一种更合理的解释；美国J. C. Allred等人计算了白光耀斑的动力学模型，指出理论结果同我们观测推导的结果相当接近。4.8 对日冕磁绳灾变过程完成系统的理论研究 日冕磁绳灾变在日冕物质抛射的理论中占有核心的地位。 该项目对日冕磁绳灾变作了详尽和系统的数值模拟研究，对磁绳灾变产生的条件、磁绳灾变能阈超过对应开放磁场的能量得到了可靠的定量结果。这些研究把在日冕物质抛射理论中有重要意义的Aly-Sturrock约束推广到部分开放无力场的情形。因而，磁绳的存在是日冕物质抛射的必要条件。由于磁绳的存在，系统可具有超出与之对应的开放型无力场8%的能量。胡有秋因为这些工作应邀在IAU Symp