日地空间中自组织临界现象的研究

SOC is a critical state of a dynamical system that is slowly and continuously driven towards a critical value of a system-wide instability threshold, producing scale-free, fractal-diffusive, and intermittent avalanches with power-law-like size distributions. SOC theory is widely applied to understand the nonlinear eruptive events in the universe. In present project, we extend the application of SOC to the eruptive events in solar-terrestrial space, including flares, coronal mass ejections, solar energetic particles, radio bursts, shocks, and geomagnetic storms, etc. We try to improve the theoretical model and fit to the observational data. The power-law frequency distributions and waiting time distributions can be derived. That will help us to understand the intrinsic physical processes and physical links of these eruptive events, and provide valuable parameters for the space weather forecast.

自组织临界（SOC）描述了一个动力学系统，其能量缓慢且持续地积累到某个临界值，随之产生与尺度无关的、分形耗散的、且满足幂律分的“雪崩”。自其诞生之日起，SOC理论被广泛地用来解释自然界中的非线性爆发现象。在本项目中，我们将SOC理论拓展到日地空间爆发现象（耀斑、日冕物质抛射、太阳高能粒子、射电暴、激波、地磁暴等）的研究中，兼顾理论模型的建立和观测数据的拟合，得到这些爆发现象的幂律频数分布和等待时间分布。这将会促进理解这些爆发现象的内禀物理规律以及现象之间的物理联系，也将为空间天气预报提供有价值的参量。

自组织临界（SOC）描述了一个动力学系统，其能量缓慢且持续地积累到某个临界值，随之产生与尺度无关的、分形耗散的、且满足幂律分的“雪崩”。“雪崩”的时空尺度和能量分布是幂律形式，相邻“雪崩”之间的等待时间则是泊松分布。本项目针对日地空间中的爆发现象进行研究，理解其与SOC过程的物理联系。除了对太阳高能粒子事件的相关研究外（Xu et al. 2017; Li et al. 2018; Miroshnichenko et al. 2020)，我们主要针对太阳爆发现象的SOC过程进行了研究。首先，我们将太阳或恒星作为一个整体（Li et al. MNRAS, 2018），分析了其产生耀斑的等待时间分布（WTDs），发现恒星耀斑（能量高于10^33 erg）和强太阳耀斑（M级以上）的WTDs符合SOC所预期的非稳态泊松分布；一般的太阳耀斑则偏离随机过程而存在一定的“记忆”。其次，我们分析了独立太阳活动区的耀斑发生率（Lei et al. MNRAS, 2020），发现无论是实际观测的活动区还是MHD模拟的活动区，它们所产生耀斑的WTDs都偏离随机过程的非稳态泊松分布，而符合记忆过程的Levy分布。我们的研究表明，如果将整个恒星或太阳作为一个非线性动力学系统，那么它所产生的“超级耀斑”是由SOC过程主导的，是随机的、不可预测的；如果考虑某个独立的活动区，那么它所产生的耀斑是由MHD湍流主导的，是相互联系、存在记忆的，这对于太阳活动预报来说是个好消息。除此之外，我们正在开展SOC的元胞自动机模拟工作，以期解释天体物理中爆发现象幂律分布的谱指数。

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