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光球磁通分布和背景太阳风对日冕磁绳灾变的影响研究

作　者: 孙树计
导　师: 胡友秋；陈耀
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 空间物理
关键词: 磁通分布太阳风背景场日冕灾变模型场能量电流片冕流磁力线磁通量
分类号: P353.7
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

日冕物质抛射(CME)属于大尺度太阳活动现象，它能造成地球空间环境的剧烈扰动，是空间灾害天气的主要源头。对CME的观测和理论研究，是太阳物理和日地空间物理领域非常活跃的前沿课题。近年来，作为CME的重要触发机制之一的日冕磁绳灾变，引起了学术界的普遍关注。本文将在前人相关工作的基础上，从一个新的侧面就这一问题开展数值模拟研究。在简单回顾CME的观测特征和研究现状之后，本文着重总结CME理论模型研究的最新进展，其中特别是与本文相关的日冕磁绳灾变模型研究。在此基础上，介绍我们在日冕磁绳灾变模型方面取得的研究成果。本文采用球坐标下的2.5维理想磁力体力学模型，构建由背景磁场和孤立磁绳构成的平衡系统，在此基础上分别研究背景场的光球磁通分布和背景太阳风对日冕磁绳系统平衡特性和灾变行为的影响。为分析光球磁通分布对日冕磁绳灾变的物理效应，我们首先假定背景磁场为双极势场，且按一定的方式对其光球磁通分布进行调整。当磁通分布向极区方向集中时，所对应的双极势场随日心距离的衰减速率变慢，亦即远处的背景场增强；反之，当磁通分布向赤道方向集中时，远处的背景场减弱。在诸种分布之中，有一种特别的光球磁通分布，它所对应的光球径向磁场均匀，相当于所谓分裂式磁单极子(split monopole)磁场的磁通分布。其次，假定日冕磁绳磁场为无力场，其特性用环向磁通和轴向磁通两个磁通参数，以及磁绳轴线高度和下方垂直电流片的长度两个几何参数表征。对某个给定的磁绳环向磁通，通过调整磁绳的轴向磁通，计算平衡磁绳的几何参数，据此分析整个系统的平衡和灾变特性。结果表明：以分裂式磁单极子场的磁通分布作为基准，若光球磁通分布更向赤道方向集中，或者说远处的背景场相对较弱，则日冕磁绳的几何参数随磁绳轴向磁通的增加连续变化，不存在灾变现象。与此相应，系统磁能始终低于相应的开放场能量。对这种情况下的各种给定的磁通分布，磁绳轴向磁通存在一个临界值，在该值附近，磁绳几何参数随轴向磁通急剧变化，且该临界值一旦被突破，磁绳几何参数将趋于无限，整个双极势场将被完全打开。反之，若相对分裂式磁单极子场的磁通分布而言，光球磁通分布更向极区方向集中，或者说远处的背景场相对增强，则随着磁绳轴向磁通的增加，日冕磁绳的几何参数会出现跳跃式变化，即系统存在灾变。系统在灾变点处的磁能称为灾变能阈，它超过相应的开放场能量；磁绳上方的背景场越强，灾变能阈越高，它超过相应开放场能量的比例也越大。与此相应，灾变之后磁绳的喷发速度也越快。上述结果表明，单单通过调整背景场的光球磁通分布，日冕磁绳灾变模型就可以重现有关CME速度分布的观测结果。以往绝大多数日冕磁绳灾变模型采用无力场或磁静平衡近似，未曾考虑太阳风的物理效应。为计入背景太阳风对日冕磁绳系统的平衡和灾变特性的影响，我们假定背景场具有和偶极场同样的光球磁通分布，但磁绳外部的背景由处于磁静平衡态的冕流和周围的定态太阳风构成。除环向磁通和轴向磁通之外，我们引入磁绳内部日冕等离子体的质量作为另一个参数，以反映重力的物理效应。模拟结果表明，日冕磁绳系统照样存在灾变现象。随着磁绳环向磁通或轴向磁通的增加，或者磁绳内部质量的减少，磁绳的几何参数会出现跳跃式变化，即发生灾变。灾变能阈随着磁绳内部质量的增加而增加，所增加的部分等于磁绳内部物质对应的过剩重力势能(等于实际势能减去静力学平衡状态所对应的势能)的绝对值。当从灾变能阈中扣除过剩重力势能的贡献之后，其结果仍超过相应开放场能量，超过的比例约为8％，与没有背景太阳风时的计算结果几乎相同。这表明，太阳风的存在基本不影响系统的灾变能阈。一旦灾变发生，背景太阳风对灾变后的磁绳运动有着重要影响。与以往磁静平衡近似下获得的结果相比，喷发磁绳不存在前方静止等离子体所带来的人为减速，最终可以获得高得多的渐近速度，因而也更加符合实际情况。灾变后磁绳的加速度和渐近速度与背景磁场的强度有关：背景磁场强度越强，磁绳的加速越快，所达到的渐近速度也越高。所获得的磁绳的速度—时间剖面与观测得到的CME的典型速度剖面基本一致。于是，我们可以通过另一种途径，也就是调整背景磁场的强度，使得日冕磁绳灾变模型重现CME速度分布的观测结果。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-13
第一章概述  13-37
  1.1 太阳爆发现象简介  14-18
    1.1.1 太阳耀斑(Solar Flares)  14-15
    1.1.2 日珥爆发(Prominence Eruptions)  15-16
    1.1.3 日冕物质抛射(Coronal Mass Ejections)  16-17
    1.1.4 太阳爆发现象之间的关系  17-18
  1.2 与CME理论模型相关的背景知识  18-25
    1.2.1 CME速度分布的统计特征  18-20
    1.2.2 日冕中的磁通量绳结构  20-21
    1.2.3 CME的能量来源  21-22
    1.2.4 Aly-Sturrock能量限  22-24
    1.2.5 灾变的概念  24-25
  1.3 CME的理论模型回顾  25-35
    1.3.1 非灾变模型  25-30
    1.3.2 磁绳灾变模型  30-35
  1.4 小结  35-37
第二章光球磁通分布对日冕磁绳灾变的影响  37-53
  2.1 引言  37-38
  2.2 基本方程和数值方法  38-43
    2.2.1 基本方程和单位制  38-41
    2.2.2 网格划分和相应的边界条件  41
    2.2.3 数值方法  41-43
  2.3 研究步骤和结果  43-50
    2.3.1 背景态的选择  43-45
    2.3.2 浮现磁绳  45-46
    2.3.3 磁能的计算  46-47
    2.3.4 模拟结果  47-50
  2.4 小结  50-53
第三章太阳风背景中的日冕磁绳灾变  53-69
  3.1 引言  53-54
  3.2 基本方程和数值方法  54-56
    3.2.1 基本方程  54
    3.2.2 数值方法  54-56
  3.3 背景和初态  56-58
    3.3.1 背景太阳风解  56
    3.3.2 作为初态的冕流—磁绳系统  56-58
  3.4 冕流—磁绳系统的灾变  58-64
    3.4.1 磁能和过剩重力势能  58-59
    3.4.2 灾变点和灾变能阈  59-62
    3.4.3 灾变时磁绳的喷发速度  62-64
  3.5 背景场强度的影响  64-65
  3.6 小结  65-69
第四章总结和讨论  69-73
  4.1 总结  69-70
  4.2 讨论  70-73
附录A 单位球面外无力场及其能量  73-79
  A.1 已知底部磁通分布求势场及其能量  73-75
  A.2 已知底部磁通分布求相应开放场及其能量  75-76
  A.3 Virial定理约束的能量上限  76-79
附录B 一种特殊的磁通分布函数  79-81
参考文献  81-93
致谢  93-95
攻读学位期间的论文发表情况  95

光球磁通分布和背景太阳风对日冕磁绳灾变的影响研究

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