太阳大气中自发重联的数值模拟（I）

本文在考虑了热传导、焦耳耗散和反常电阻的情况下，研究了日冕电流片中的自发重联过程。结果表明自发磁重联可通过反常电阻的焦耳耗散加热大气，这种作用与苈值的大小密度相关，这也许可以解释活动区日冕环 的稳态加热和耀斑前的预热相；当考虑电流片位形的下边界为固定边界时，由于系连效应会自然形为盔状结构，并且物质以４０ｋｍ／ｓ的速度沿两“腿”下落，这种下落物质速度将造成谱线红移。     

日冕冲浪形成的磁流体动力学模拟

应用二维时变可压缩磁流体动力学模拟,数值研究了双极-单极磁场中电阻撕裂模不稳定性引起的磁场重联过程,用于模拟日冕冲浪的形成.结果表明,在包含有三区——双极场、电流片和单极场的磁静力平衡初态下,双极场和单极场中的磁力线将会直接重联,磁场演变成鞭状(whip)结构.由弯曲磁力线支撑的等离子体团向上运动到最高位置后,逐渐下落和弥散.等离子体团上升速度可达到0.10v_A(v_A为双极场中的Alfv'én速度).模拟结果证实日冕冲浪的形成可能与双极-单极场中的磁场重联密切相关.      

中性电流片的形成和环形日冕瞬变

在双极背景场下,光球层反向磁通量的喷发将会在新老磁场之间形成中性电流片.本文从理想磁流体方程组出发,考虑磁场和日冕等离子体的相互作用,对上述电流片的形成过程进行了数值研究.结果表明,对亚音速喷发,将由里向外形成四个区域:(1)由喷发物质直接形成的低温,高密度日珥,位于最里层;(2)紧挨抛射日珥的低温稀疏区;(3)喷发物质和日冕物质向中性电流片集中形成的高温.高密度物质环;(４)在环的周围,由快磁声波形成的,密度略比日冕背景为高的前鞘区.上述结构与典型的环形日冕瞬变的观测特征相符.由此表明双极背景场下反向磁通量的喷发可能是触发这类瞬变的重要机制.      

双带耀斑磁重联过程的数值研究

本文用多步隐格式求解包含电阻的磁流体力学方程组, 对双带耀斑的主相作数值模拟, 清晰地展示了中性片区由撕裂模线性重联向准稳态重联的过渡以及后随耀斑环的产生和等离子体团的喷发过程.对于在能量方程中计及和忽略焦耳加热两种情况, 分别作了计算.结果表明, 计及焦耳加热时, 电流片中等离子体的温度显著增加(是初始温度的2—3倍), 但等离子体的运动速度却变化不大.两种情况的计算结果均表明:等离子体的运动速度低于声速, 因此不会形成快激波.计及焦耳加热的计算结果显示了两个新的特征:其一是中性片高密度等离子体的受热膨胀, 增大了电流片的有效厚度, 它使重联速率降低, 并逐渐趋于饱和, 其二是同时形成上升和沉降等离子体团, 后者与耀斑环碰撞, 并合并于后随耀斑环内.      

日冕瞬变的观测特征和理论解释

本文综述了日冕瞬变现象的主要观测特征及其理论模型.日冕瞬变是从太阳日冕中向行星际空间大量抛出物质的过程,每次事件可有5×1015克的物质在103秒的时间内以约500公里/秒的典型速度被驱动流到日球中.日冕瞬变与太阳耀斑和爆发日珥事件有密切的相关性.作为一种新的太阳活动现象,近年来对日冕瞬变提出了许多理论解释.一种数值模拟方法将瞬变看成是由于热力学量或磁力在日冕底部的脉冲增长所产生的结果.许多分析模型认为是由磁环内部的电磁力或外部的磁压力驱动所致,或者是环中磁浮力驱动的结果.考虑到瞬变与耀斑和爆发日珥的相关性,活塞驱动模型认为,瞬变是稠密等离子体喷射,像活塞驱动机制.观测和理论都有待于进一步的研究.      

一个基于观测的太阳风背景模型

建立由太阳光球磁场和日冕偏振亮度等观测约束的单流体太阳风模型,包括日冕和太阳风的等离子体密度、速度和磁场,温度还有待于以后处理.这里采用高山观测台(HAO)MKⅢ的日冕偏振亮度(pB)在1.36Rs上的观测概图,根据Guhathakurta在1996年发展的日冕电子密度反演模型确定日冕的电子密度分布.同时采用Wilcox太阳观测台(WSO)的光球磁场视向分量的观测概图作为底部边界,根据Zhao等在1994年发展的水平电流-电流片(HCCS)模型得到全球磁场.Phillips在1995年及McComas在2003年分别用Ulysses第一次和第二次跨极飞行的观测发现,归一化到1 AU的太阳风动量流密度除了在10°～30°的纬度范围内略低以外几乎不变.根据这一结论,结合已经得到的密度数据,就可以得到日冕和太阳风的速度.将上面的模型应用于1918卡林顿自转周稳态太阳风的研究,结果与太阳活动极小期的观测基本相符,但是与观测相比较低速高密度区偏大,因此密度模型还有待改进.      

极光带电急流产生声重波的效率

对大气中声重波的产生源的效率作了分析计算。结果显示,不同源的效率相差很大,而且还随频率、离原的距离和方向,以及不同的波动参量而变。对于极光带电急流产生声重波的源,即洛伦兹力和焦耳加热两个源来说,产生近场声重波的效率以洛伦兹为高、对于沿极光带电急流平面的运场区声重波而言,焦耳加热的效率高得多。但对垂直于极为带电流平面的速度波动则洛伦兹力的产生效率高得多;对于沿极光带电急流平面的法向的远场区内的所有声重波参量而言,洛地兹力的产生效率高得多。      

太阳风速度及日球电流片对CME渡越时间的影响

基于1996-2005年88个引起重大地磁暴的CME(日冕物质抛射)事件、1996-2000年的47个CME事件以及1997-2002年的29个全晕状CME事件,结合ACE卫星在1AU处的太阳风和行星际磁场观测资料以及Wilcox Solar Observatory(WSO)天文台的太阳光球层磁图,分析了背景太阳风速度和日球电流片对CME到达1AU处渡越时间预报误差的影响.结果表明,背景太阳风速度与CME渡越时间误差并没有明显的相关性,在考虑了磁云通量管轴相对黄道面夹角的影响后相关性依然不明显.然而日球电流片对CME渡越时间却有明显的影响,对于初速度较小的异侧CME事件,其渡越时间大于同侧事件;而对于具有较大初速度的CME事件,异侧事件的渡越时间明显小于同侧事件.研究结果表明,CME与太阳风以及日球电流片的相互作用并不是简单的对流相互作用,造成高速CME异侧事件快于同侧事件到达地球的因素非常复杂,有待深入研究.      

日冕三维太阳风模拟

COIN-TVD MHD模型是近年发展起来的能有效实现日冕–行星际三维太阳风模拟的模型.本文利用此模型针对日冕区三维太阳风进行研究,为了模拟日冕太阳风的加热加速,对模型中的体积加热项做了调整.在磁流体模拟中,减小磁场散度的误差是关键问题之一,在调整体积加热项后应用扩散法、八波法、扩散八波法,对2199卡林顿周的背景太阳...     

二维太阳风速度结构与日球电流片

本文分析了第1733—1742Carrington周的太阳耀斑、行星际闪烁(IPS)、太阳风及K-日冕资料,对二维太阳风速度结构进行了综合研究。结果表明:速度的大尺度分布、高速区、速度梯度、经度不均匀性和边界形状等方面相对于太阳赤道面都是不对称的;通过对理想的和实际的电流片以及飞船测量的磁场和速度比较,可以看到电流片附近大体上为低速区,但不存在简单的对应关系;扰动太阳风对背景太阳风的二维速度结构有显著的影响;理想电流片与实际电流片之间也存在较大的差距。      

耀斑脉冲相离子电离的弛豫过程

观测表明:在耀斑前活动区上空的日冕中普遍存在低温的磁环结构, 其中一些这种磁环结构的温度在105K以下;同时, 耀斑脉冲相存在非常迅速的加热过程.本文在这些观测事实的基础上, 提出了一个太阳耀斑爆发时离子电离的模型, 并由这一模型研究了耀斑时离子电离的弛豫过程.在太阳宇宙线的源物质来自高色球层的条件下, 得到了与观测结果符合得较好的太阳耀斑能量离子的平均电荷及其电离态分布.      

地磁暴恢复相中间层低热层高纬温度响应

利用TIMEGCM模拟了2005年9月10日至20日由日冕物质抛射引起的地磁暴事件,研究了此地磁暴恢复相高纬度中间层低热层（MLT）区域温度的变化,揭示了磁暴恢复相时温度、垂直风、总加热项和NO辐射冷却的内在联系.结果表明:地磁暴恢复相刚开始时,温度对磁暴的响应在晨侧为负扰动（降温）,在其他地区都为正扰动（增温）;随着磁暴的恢复,整个北半球都变为正的温度扰动（增温）.这种高纬MLT区域的温度响应主要与垂直风密切相关.当垂直风为正时,总加热为负,增温减弱;当垂直风为负时,总加热为正,增温变强.辐射冷却特别是NO辐射冷却作用在热层被称为恒温器,降低了磁暴期间80%的热层增温.但是,在MLT区域NO辐射冷却作用不明显,一般比总加热项小一个量级,对温度响应造成的影响较小.      

日冕环和日冕拱的平衡位形

在线性场近似条件下,本文讨论了日冕环的二维平衡位形。用富利叶变换的方法,求出了问题的分析解,解释了日冕环观测结果的主要特性。沿日冕环纵向的压力分布均匀,日冕环的位形可以比无力场更稳定。由于日冕环可以储存更多的剪切场或扭转场的磁能,释放这部分磁能就可以驱动日冕环运动产生日冕瞬变过程,或者使环内的等离子体加热或加速而产生太阳耀斑。      

日冕扰动传播的数值模拟(Ⅲ)太阳风的影响

本文数值研究了二维磁流体动力学平衡基态下开场区日面冷物质径向喷射所引起的日冕动力学响应。结果表明:(1)在高密度环前方有一弱扰动区近似以Alfvén速度向外传播;(2)高密度环前缘移动速度随着径向距离而增加, 其增加值近似为局地太阳风速度;(3)高密度环中等离子体的最大径向速度约在4个太阳半径处趋于局地逃逸速度;(4)对于强开放场, 环形结构在θ方向上没有明显的扩张。这些结果可以更好地解释伴随有日珥的日冕物质抛射事件。      

基于CPU/GPU的日冕偏振亮度并行计算模型

三维磁流体力学(MHD)数值模拟是用来研究日冕和太阳风最常用的方法之一, 其中将计算得到的日冕电子数密度转化为日冕偏振亮度(Polarization Brightness, PB)是与观测对比的重要方法. 由于待转换电子数据网格密度、PB数据网格密度和计算模型的复杂度, 使得日冕偏振亮度的计算比较耗时, 利用单CPU计算无法达到近实时转换日冕偏振亮度的要求, 从而影响了数值模拟的验证效率. 本文在CPU/GPU环境下, 利用CUDA编程技术, 提出了一个日冕偏振亮度并行计算模型. 实验结果表明, 该模型比CPU上的串行模型计算速度提高了31.86倍, 达到了近实时模拟与观测数据比对的计算要求.      

日冕物质抛射在太阳活动周期内的变化

本文利用SMM1980年和1984年观测的两组日冕物质抛射事件(CMF)及同期耀斑和爆发日珥观测资料,从速度、位置及活动相关率三个方面分析CME在这两个不同时期的特征,并由此推测它在整个太阳活动周内的变化趋势.      

WSA太阳风经验模型及其应用

Wang-Sheely-Arge （WSA）模型是对准稳态太阳风的经验和物理相结合的描述,其利用观测的日面磁图作为输入,可以提前3到4天预测L1点处的太阳风速度和行星际磁场极性.WSA模型是在WS模型的基础上经过若干改进形成的实时预报模式,之后又借鉴Distance from the Coronal Hole Boundary （DCHB）模型的参数,进一步改进了太阳风速度关系式,形成了目前常见的形式.WSA经验模型由日冕磁场模型、太阳风速度关系式和一维运动学模型三部分组成.在实际应用过程中,基本步骤包括观测磁图预处理、日冕三维磁场反演、计算日冕磁场参数、计算太阳风的速度分布和将太阳风映射到1AU等环节.在发展过程中,WSA模型经历了一些细节上的调整变化,例如观测磁图数据的来源、日冕磁场模型的类型、经验速度关系中自由系数的取值等.许多研究对如何改善模型的预报效果进行了探索.      

耀斑后环珥系速度场的定量研究

本文研究了在太阳重力、偶极磁压强梯度和气体压力梯度联合作用下环珥系内物质的下落运动,并在等温、定常假设下用数值方法计算了该环系的二维视向速度场。通过将速度场的理论计算跟文[1]中给出的观测速度场拟合,导出了该环系的有关参数及分布。计算表明环系内物质密度和磁场强度对物质下落运动影响较显著。     

1984年2月18日耀斑后环速度场的分析

本文研究了耀斑后环内物质在太阳重力、磁压力梯度和气体压力梯度联合作用下的下落运动,并在非等温状态及定常假定下计算了环内物质分布。计算结果表明:在环的中上部,下落运动可当作太阳重力作用下的自由下落运动;在环的底部,环内物质密度和磁场强度对物质下落运动影响较显着。      

低功率氮氢混合物电弧加热发动机模拟研究

对低功率电弧加热发动机内的传热与流动过程进行了数值模拟研究,分别采用氮氢混合物模拟氨和肼作推进剂,计算获得了不同入口总压和弧电流的多种工况条件下发动机内温度和速度分布.结果表明,随着弧电流的增加,发动机出口处的温度、速度和比冲也随之增加;随着入口总压的增加,工作气体流量增加,发动机喷管出口处轴向速度增加.对NASA 1 k W级电弧加热发动机采用氮氢模拟肼作推进剂进行了数值模拟,模拟结果与文献报道的实验结果大体相符.