第二课题课题任务书.docx
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第二课题课题任务书
国家重点基础研究发展计划
(973计划)
课题任务书
项目名称:
日地空间天气预报的物理基础与模式研究
课题编号:
2011CB811402
课题名称:
太阳大气中爆发式能量释放研究
中华人民共和国科学技术部制
二○一○年九月
一、研究内容
(1)爆发式能量释放的储能及触发机制研究:
太阳大气中的能量储存是爆发式能量释放的前提。
本课题将充分利用我国具有特色的太阳多通道光谱望远镜、近红外太阳爆发监测望远镜(ONSET)、磁场望远镜、以及将要建成的太阳射电日像仪等设备,结合国际空间卫星(如Hinode,STEREO,SDO等)的观测,研究磁流浮现、剪切运动、磁场螺度积累、磁对消(太阳低层大气重联)等在太阳爆发前能量储存中的作用,以及它们触发耀斑和CME发生的定量物理条件,解读太阳爆发强度与诱发因素之间的定量关系,为耀斑和CME的预报提供物理基础。
(2)爆发式能量释放过程研究:
目前普遍认为太阳大气中爆发式能量释放过程是将磁场自由能通过磁重联的方式转化成等离子体的热能、动能和高能粒子的非热能。
研究导致爆发式能量释放的磁重联过程的理论和模型;通过耀斑足点源和环顶源的运动来研究耀斑环动力学、磁场重联速率以及和CME的关系;研究不同大气层次(特别是低层大气)磁场重联的证据和特征;从观测上界定磁重联区域的物理性质;观测光球和日冕磁场在太阳爆发前后的变化,理解磁场变化与磁重联和爆发式能量释放的关系。
(3)爆发式能量释放产物研究:
研究耀斑和CME中的辐射、等离子体、以及高能粒子的时间、空间和能谱特性,探讨耀斑和CME中各种物理参数的空间分布和时间演化;构建耀斑和CME的物理图像及表征,以及爆发式能量释放后太阳大气的动态演化图像;分析与耀斑和CME相伴的日面各种波动现象的特征和规律,揭示它们的物理实质和内涵;研究耀斑Sigmoid位形与灾害性空间天气的关联;研究耀斑产生灾害性空间天气高能粒子事件的条件,初步建立基于日常观测预报耀斑和基于耀斑观测快速预报空间天气高能粒子事件的物理基础。
(4)爆发式能量释放的微观过程和方法研究:
开展太阳爆发高能粒子的加速、传播和耗散机制的研究、太阳大气磁化等离子体的微观能化过程研究、以及从太阳高能辐射反演耀斑高能电子、高能质子和高能离子的方法研究;研究太阳大气中的高能物理过程,特别是高能质子与太阳大气发生核反应所产生的伽玛射线谱线和伽玛射线连续谱;开展耀斑辐射动力学理论和数值模拟及三维磁流体力学数值模拟研究;解释白光耀斑的起源和与耀斑关联的“日震波”的机制;通过理论计算和数值模拟研究太阳大气磁化等离子体非均匀性结构中色散等离子体波的激发、传播和演化特性,探索太阳大气加热和粒子加速的微观物理机制;为空间天气预报的耀斑模式提供必要的物理基础。
(5)爆发式能量释放的探测手段研究:
在完善本课题所拥有的太阳多通道光谱望远镜(两台)、近红外太阳爆发监测望远镜、太阳精细结构望远镜等设备工作状态和技术更新,以确保太阳活动24周峰年投入观测、取得有价值观测资料的同时,积极开展太阳空间探测卫星的预先研究,特别是推动“一箭5星”太阳探测卫星的立项和实施,研究星上太阳爆发式能量释放探测的有效载荷,包括:
太阳高能辐射谱仪、莱曼阿尔法望远镜和日冕仪等,以及相关地面应用系统的建立,争取在2014年发射,实现我国太阳卫星“零”的突破。
二、预期目标
总体目标:
理解爆发式能量释放前能量储存的物理过程和机制,建立爆发式能量触发的物理机制和理论模型;理解爆发式能量释放与耀斑和CME的内在联系及其中的物理过程,为灾害性空间天气预报提供物理模式;发展太阳爆发式能量释放的探测手段,争取实现一项太阳空间探测计划。
具体目标:
(1)明确磁流浮现、剪切运动在能量储存及磁场螺度积累中的作用;
(2)建立爆发式能量触发的物理机制和理论模型;
(3)搞清耀斑和CME各自物理特性及两者之间的内在物理联系;
(4)完善耀斑这一爆发式能量释放产物中辐射、等离子体动力学、物质加热和粒子加速的物理图像;
(5)充分认识耀斑、CME及其激发波动的物理特征和机制;
(6)深化认识太阳大气磁化等离子体能化的微观物理过程;
(7)以观测作为背景,为灾害性空间天气预报提供物理输入和基础模型。
(8)发展太阳空间探测手段,争取实现一项空间探测计划。
三、研究方案及技术路线
1.总体思路
本课题是在前两个973项目课题的基础上发展而来,因此一方面强调课题的继承性,充分借鉴前期研究成果,另一方面,更重要的是要在继承基础上发展,特别强调在课题框架下与预报有关的物理基础研究,针对爆发式能量释放现象的复杂性,集中研究力量于有限目标,将耀斑和日冕物质抛射研究的前沿问题与空间天气预报物理基础研究结合起来。
同时,要加强与其它课题的联系,交叉研究,为空间天气预报提供物理基础和模式。
2.技术途径
拟通过下列技术途径具体开展研究工作:
(1)多波段研究:
目前对太阳耀斑和CME的研究依赖于高分辨率的多波段观测。
Hinode卫星能提供高空间分辨率的光球矢量磁场,以及高空间和时间分辨率的可见光、EUV、X射线资料,SDO卫星可提供时间分辨率更高的光球矢量磁场观测。
南京大学即将投入运行的ONSET望远镜可以提供高空间和时间分辨率的Hα、白光、HeI10830埃的单色像,南大太阳塔望远镜和紫台近红外光谱仪则可得到二维光谱资料。
这些为研究太阳爆发及其能量过程提供了观测基础。
尤其是ONSET望远镜的近红外观测,是同类全日面巡视望远镜指标最新最好的一个,将实现对地CME爆发现象的监测。
(2)特定事件综合研究:
太阳活动24周为多波段观测对地球空间具有灾害性影响的太阳爆发重大事件提供了机会,预期课题执行期间可以观测到若干这类事件。
通过多波段资料的分析,可以获得太阳耀斑爆发时能量的分布形式(包括热和非热能量)、能量在各个层次的沉积、能量向低层大气的传播方式、伴随的等离子体运动和波动特征、以及能量向日地行星际空间输出的形式。
与其它课题开展交叉研究,以建立从太阳爆发到地球空间环境响应的因果链模式。
(3)发展理论与数值模拟:
课题组将开展辐射动力学模拟程序RADYN的改进,并计划运用到耀斑大气的模拟中。
另也将通过数值模拟研究直流电场、湍流以及激波在加速高能粒子中的贡献,包括磁流体力学数值模拟与粒子模拟。
就耀斑在CME中的作用,将采用具有自适应网格的并行磁流体数值模拟程序对暗条的形成、振荡、耀斑及CME的触发及伴随的波动现象等过程进行数值模拟。
在莫尔顿波和EIT波的研究方面,拟将已有的2维模拟拓展到3维。
(4)从源头上提升创新水平:
课题研究离不开观测资料,虽然我们课题具有一些地面探测设备,如太阳多通道光谱望远镜(两台)、近红外太阳爆发监测望远镜、太阳精细结构望远镜等,并可借鉴项目中其它课题的观测设备,但主要资料来自国外空间卫星的探测。
我国至今尚没有发射过一颗专门的太阳探测卫星。
本课题的学术思路之一是推动和发展我国自己的卫星探测计划,包括:
开展“先进天基太阳天文台”预先研究、主导推动“一箭5星”太阳探测卫星的立项和实施等。
3.创新点与特色
本课题的主要创新点和特色可以概括成3个结合:
(1)预期研究与已有成果的结合:
本课题是在前两个973项目课题的基础上发展而来,在2000-2005年以及2006-2010年期间,本课题前身在“耀斑的时空结构和能量输出”以及“空间灾害性天气的耀斑因素研究”方面取得了系列性研究成果,本课题将在已经取得的这些成果基础上开展工作;
(2)基础研究与应用目标的结合:
与前两期课题研究不同,本期研究在注重耀斑和日冕物质抛射等基础研究的同时,明确重点研究它们与空间天气联系的核心物理过程,并将建立预报的物理模式作为重要应用目标;
(3)理论研究与探测手段的结合:
能否在空间天气预报上取得突破,除了理论上、数据分析上、方法上的重要创新外,探测手段,尤其是空间探测手段不可缺少。
本课题致力于太阳空间探测项目的推进,争取在课题执行期间实现我国太阳空间卫星探测“零”的突破。
4.可行性
(1)课题基础:
本课题是在前两期国家973项目课题成功实施的基础上而提出的,在研究内容和课题执行方面具有很好的基础;
(2)设备基础:
本课题现有两台太阳多波段光谱仪、1台高时间分辨太阳精细结构望远镜、1台红外太阳活动监测望远镜(即将于2011年建成)等地面观测设备,这些设备能够满足课题提出的观测目标;
(3)人员基础:
本课题骨干6个成员中,有4名国家杰出青年基金获得者,1名中科院百人计划获得者,覆盖5个创新研究团组,共有研究生和一般成员共30余人,为课题的执行提供了根本保证。
四、年度计划
年
度
研究内容
预期目标
第
一
年
太阳多通道光谱望远镜(两台)、近红外太阳爆发监测望远镜、太阳精细结构望远镜等设备进入良好工作状态;选择太阳爆发事件,收集多波段观测资料,开始对爆发式能量释放的储能及触发机制、爆发式能量释放过程、爆发式能量释放产物、以及爆发式能量释放的微观过程等进行研究;通过观测研究耀斑的三维模型,通过数值模拟研究爆发过程中各种能量分布形式,包括高能粒子、辐射、等离子体运动、波等,研究低层大气的加热机制以及白光耀斑、“日震波”的起源;启动“先进天基太阳天文台”概念性研究,开展“一箭5星”方案论证和模样阶段研究;等。
太阳多通道光谱望远镜(两台)、近红外太阳爆发监测望远镜、太阳精细结构望远镜等设备对太阳活动24周峰年太阳爆发等现象初步取得观测结果;对爆发式能量释放的多波段观测特征形成初步认识;在三维模型的观测比较、数值模拟和爆发形态表征及能量构成等研究方面取得进展;空间预研完成背景调研,完成“一箭5星”方案论证;等。
发表核心刊物论文10篇左右。
第
二
年
太阳多通道光谱望远镜(两台)、近红外太阳爆发监测望远镜、太阳精细结构望远镜等设备持续正常工作;全面开展爆发式能量释放的储能及触发机制、爆发式能量释放过程、爆发式能量释放产物、以及爆发式能量释放的微观过程等方面的研究;开展太阳爆发磁场拓扑结构和变化研究、莫尔顿波和EIT波的本质研究;开展“先进天基太阳天文台”概念性研究和“一箭5星”模样阶段研究;等。
太阳多通道光谱望远镜(两台)、近红外太阳爆发监测望远镜、太阳精细结构望远镜等取得有价值的观测资料;全面拓展对爆发式能量释放的多波段观测特征的认识;获得耀斑和CME爆发的磁场拓扑结构和变化规律;确认莫尔顿波和EIT波的本质;空间预研完成概念性阶段,完成“一箭5星”模样阶段;发表核心刊物论文10篇左右。
第
三
年
针对将会出现的一系列大的爆发,收集完整的地面、空间和地球环境观测资料,与其它课题交叉,针对性地开展太阳爆发与空间天气事件内在联系的研究;确保本课题所拥有的地面观测设备持续工作;发展能结合部分观测资料的数值模拟程序、对直流电场和湍流两种机制在加速高能粒子中的区别进行观测与模拟的对比研究;研究日冕加热、粒子加速、以及CME在行星际传输等;“一箭5星”顺利开展模样研究。
本课题所拥有的地面观测设备取得大量有价值的观测资料;获取若干重大爆发事件完整的空间和地面观测资料;在太阳磁场与太阳爆发、太阳爆发与空间天气联系的认识上取得进展;建立粒子加速模型;在日冕加热、粒子加速特性、以及CME在行星际传输等认识方面取得进展;发表核心刊物论文10篇左右。
第
四
年
预期2014年是24周太阳活动峰年太阳高能爆发的峰期,基于大量的太阳爆发的样本,深入开展爆发式能量释放的储能及触发机制、爆发式能量释放过程、爆发式能量释放产物、以及爆发式能量释放的微观过程等方面的研究;利用数值模拟程序结合观测事例进行对比研究;开展“一箭5星”正样阶段研究。
获取大量太阳爆发观测样本;在爆发式能量释放的储能及触发机制、爆发式能量释放过程、爆发式能量释放产物、以及爆发式能量释放的微观过程等方面取得统计意义认识上的突破;数值模拟能够较好解释观测结果;发表核心刊物论文10篇左右。
第
五
年
全面总结该课题5年研究成果,针对课题计划研究中的薄弱环节,进行研究重点调整,以完成课题总体目标。
圆满完成课题总体目标和预期研究内容;在太阳大气爆发式能量释放研究的关键科学问题上取得突破;形成若干预报所需要的物理基础模式。
5年累计发表核心刊物论文50篇左右,争取“一箭5星”发射上天。
五、科学数据汇交计划
本课题所拥有的太阳多通道光谱望远镜(两台)、近红外太阳爆发监测望远镜、太阳精细结构望远镜在项目执行期间所获取的观测数据,将适时放在相应的网站上,不仅对项目成员无条件开放,也对国内外同行无条件开放,并提供处理数据所需要的相应信息和软件。
六、课题承担人员
负
责
人
姓名
性别
身份证号码
专业
技术
职务
单位
每年工作
时间(月)
签字
甘为群
男
320106************
研究员
中国科学院紫金山天文台
10
参
加
人
员
丁明德
男
320106************
教授
南京大学
10
陈鹏飞
男
620102************
教授
南京大学
10
季海生
男
320113************
研究员
中国科学院紫金山天文台
10
黎辉
男
510102************
研究员
中国科学院紫金山天文台
10
吴德金
男
110101************
研究员
中国科学院紫金山天文台
10
封莉
男
321283************
博士后
中国科学院紫金山天文台
10
成剑霞
女
321283************
博士后
南京大学
10
研
究
生
苏杨
男
——
博士研究生
中国科学院紫金山天文台
10
——
陈维
男
——
博士研究生
中国科学院紫金山天文台
10
——
郭静楠
女
——
博士研究生
中国科学院紫金山天文台
10
——
韩斐然
男
——
博士研究生
中国科学院紫金山天文台
10
——
沈金花
女
——
博士研究生
中国科学院紫金山天文台
10
——
唐建飞
男
——
博士研究生
中国科学院紫金山天文台
10
——
陈玲
女
——
博士研究生
中国科学院紫金山天文台
10
——
赵金松
男
——
博士研究生
中国科学院紫金山天文台
10
——
许磊
男
——
博士研究生
中国科学院紫金山天文台
10
——
郭洋
男
——
博士研究生
南京大学
10
——
夏莼
男
——
博士研究生
南京大学
10
——
张擎旻
男
——
博士研究生
南京大学
10
——
蒋荣琳
男
——
博士研究生
南京大学
10
——
程鑫
男
——
博士研究生
南京大学
10
——
李瑛
女
——
博士研究生
南京大学
10
——
白伟东
男
——
硕士研究生
中国科学院紫金山天文台
10
——
周晓伟
男
——
硕士研究生
中国科学院紫金山天文台
10
——
李兵
男
——
硕士研究生
中国科学院紫金山天文台
10
——
赵国清
男
——
硕士研究生
中国科学院紫金山天文台
10
——
赵洁
女
——
硕士研究生
中国科学院紫金山天文台
10
——
李东
男
——
硕士研究生
中国科学院紫金山天文台
10
——
陈枫
男
——
硕士研究生
南京大学
10
——
张萍
女
——
硕士研究生
南京大学
10
——
吴优
男
——
硕士研究生
南京大学
10
——
张蠡岳
女
——
硕士研究生
南京大学
10
——
郝奇
男
——
硕士研究生
南京大学
10
——
七、签字盖章及意见
课题负责人签字:
我将严格遵守973计划项目和经费管理的各项规定,根据本课题任务书,按计划组织课题组开展研究,确保完成课题研究计划,实现预期目标。
课题负责人(签字):
年月日
课题承担单位盖章:
我单位严格遵守973计划项目和经费管理的各项规定,对参加研究的人员给予各方面的保障和支持,对课题的研究工作和经费使用进行监督,确保本课题顺利、圆满完成预期目标。
负责人(签字):
(单位盖章)
年月日
项目首席科学家意见:
首席科学家(签字):
年月日
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