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太阳耀斑中磁重联的数值研究

作　者: 陈鹏飞
导　师: 方成
学　校: 南京大学
专　业: 天体物理
关键词: 磁重联太阳耀斑热传导等离子体低层大气数值模拟磁力线统一模型电流片数值研究
分类号: P182.52
类　型: 博士论文
年　份: 2002年
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内容摘要

太阳耀斑是一种能量快速释放(在100-1000秒内释放10²⁹-10³³尔格的能量)的过程，并伴随着等离子体的加热、多波段的辐射以及粒子加速。它不仅引起太阳物理研究的兴趣，也对空间科学及日地关系研究有重要意义。根据以往的观测及理论研究，人们提出磁重联模型作为耀斑爆发的机制。该模型被近年来的“阳光”卫星的观测证实。本论文旨在求解磁流体力学方程组来研究太阳耀斑爆发中的磁重联过程。由于磁流体力学方程组是高度非线性的，解析求解非常困难，目前仅找到少数几个重联特解。人们尝试过线性分析，但其简化条件限制了其结论的适用性。为了详尽地研究磁流体力学问题，不得不求助于数值模拟。本论文包括以下七章，其概要如下：第一章背景综述：回顾了三十年来太阳大气磁重联的磁流体力学数值模拟研究的进展，其中简要叙述了数值方法方面的情况，着重介绍了在这个领域的研究成果。在本章中，数值模拟工作被分为三类，即检验理论模型、解释观测现象及研究各因素对磁重联的影响。另外就某些问题作了讨论。最后提出了本论文的研究意图。第二章数值模拟方法：引入2.5维磁流体力学（MHD）方程组，及其无量纲化形式；简要介绍了本论文所采用的多步隐格式。另外，定义了一个表征磁重联快慢的物理量：磁重联率。第三章磁流体力学数值模拟中的伪重联：对称边界经常出现在数值模拟中。通常有两种方法设定对称边界，分别对应两种网络。在第一种网格中，第一列格点位于对称轴上，本章研究表明它能得出有物理意义的结果；第二种为开拓网格，其中对称轴位于两列网格点中心。研究表明它会引入强数值电阻，导致伪重联等非物理结果。第四章双带耀斑及热传导作用下的磁重联：双带耀斑环的上升及其足点的分离运动是磁重联机制的明显证据之一。本章模拟了这些运动。数值结果表明重联发生后，在重联X点下方出现磁环以及冻结其中的高温等离子体。随着重联的继续，重联后的磁力线不断堆积，以致于加热的磁环不断上升，其足点随之分离。正如观测所指出，这种运动是表观运动，不是物质的运动。真正的运动包括磁环的收缩等。本章的结果大致与双带耀斑的CSHKP模型一致，但是该模型认为耀斑环的上升意味着重联X点的上升，本章的研究却表明即使X点固定，耀斑环仍能上升。本章的研究还表明重联产生的慢激波对耀斑软X射线环的加热有贡献。最后研究了场向热传导对磁重联的影响。结果表明热传导加速磁重联。当热传导时标小于阿尔芬时标时，热传导将绝热慢激波分解为等温慢激波和热传导波前。第五章耀斑环运动及太阳耀斑统一模型：本章研究各种物理参数对耀斑环运动的影响。结果表明磁场强度对耀斑环的运动速度（包括环的上升速度及足点分离速度）的影响最大，密度对其影响适中，而温度、空间尺度及磁雷诺数对其影响很小。进一步研究表明当耀斑环上升至重联区附近时，磁重联自动停止。重联的寿命大致与重联X点的高度成正比。当X点位于较高时，重联持续很长时间，并显示出双带耀斑的观测特性；而当X点位于较低时，重联在脉冲相后很快减慢，并出现较稳定存在的单环结构，这些与致密耀斑极其相似，因此本文提出太阳耀斑统一模型，其中磁重联X点的不同高度导致耀斑形态上的差异。第六章Ellerman炸弹、Ⅱ类白光耀斑及低层大气重联：本章试图由在低层大气发生的磁重联过程来解释Ellerman炸弹及Ⅱ类白光耀斑的一些观测特性：寿命约10分钟、高色球和光球的弱加热及低色球的强加热、白光耀斑核单位时间单位面积的辐射流量1—2×10¹⁰ erg cm^-2s^-1，以及解释CaⅡK线所必需的速度轮廓。另外还研究了电离和辐射对重联的影响。结果表明它们都对重联率影响很小，然而却都能有效地降低等离子体的温度。第七章总结：对本论文中的数值研究作了概要性的讨论。根据以上这些有关磁重联的数值模拟的工作，我们得到如下新的成果：1．开拓网格及当磁中性线不位于一列格点上时将引入强数值电阻，并导致伪重联等非物理结果；2．磁重联的数值模拟再现了观测到的双带耀斑的耀斑环运动（即环的上升及足点分离），并证实磁环的收缩效应。这些也为耀斑的磁重联机制提供了有力的证据；3．磁流体慢激波对耀斑环的加热有贡献；4．本文认为Kopp-Pneuman模型中有关耀斑环上升即意味着重联X点一起上升的论断不正确，这两者的运动之间没有直接的关系；5．本文提出太阳耀斑的统一模型，认为重连X点的不同高度导致了耀斑形态上的差异：双带耀斑对应X点较高的情况，而致密耀斑对应X点较低的情况；6．低层大气磁重联的模拟解释了Ellerman炸弹及Ⅱ类白光耀斑的主要观测特征：寿命、色球和光球的弱加热及低色球的强加热、白光耀斑核单位时间单位面积的辐射流量及CaⅡK线的红不对称性。

全文目录

致谢  3-4
摘要  4-8
第一章背景综述  8-18
  1.1 引言  8
  1.2 研究进展  8-13
    1.2.1 计算方法  9
    1.2.2 研究结果  9-13
  1.3 要点讨论  13-14
    1.3.1 数值不稳定性  13-14
    1.3.2 数值电阻  14
    1.3.3 驱动重联与自发重联  14
  1.4 本论文的工作  14-18
第二章数值模拟方法  18-24
  2.1 磁流体力学方程组  18
  2.2 无量化的磁流体力学方程组  18-21
  2.3 初始条件  21
  2.4 网格划分  21
  2.5 计算格式  21-23
  2.6 磁重联率  23-24
第三章磁流体力学数值模拟中的伪重联  24-30
  3.1 引言  24
  3.2 数值方法  24-25
  3.3 数值计算结果  25-28
  3.4 讨论及结论  28-30
第四章双带耀斑及耦合热传导的磁重联  30-43
  4.1 引言  30
  4.2 数值方法  30-31
  4.3 数值结果  31-36
    4.3.1 总体描述  31-32
    4.3.2 耀斑环运动  32-36
    4.3.3 磁重联率  36
  4.4 讨论  36-40
    4.4.1 慢激波及其在耀斑环加热中的作用  37-38
    4.4.2 软X射线的上升与中性点的上升有关吗?  38-40
    4.4.3 其它  40
  4.5 结论  40-43
第五章耀斑环运动及太阳耀斑统一模型  43-54
  5.1 引言  43
  5.2 数值方法  43-45
  5.3 数值结果  45-50
  5.4 讨论  50-52
    5.4.1 耀斑环运动  50-51
    5.4.2 统一两类太阳耀斑的可能性  51-52
  5.5 结论  52-54
第六章 Ellerman炸弹、Ⅱ类白光耀斑及太阳低层大气磁重联  54-63
  6.1 引言  54-55
  6.2 数值方法  55-57
  6.3 数值结果  57-58
  6.4 讨论  58-60
  6.5 结论  60-63
第七章总结及展望  63-66
发表的文章  66-67
文章引用情况  67

太阳耀斑中磁重联的数值研究

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