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. 结果表明自发磁重税可通过反常电阻的焦耳耗散加热大气, 这种作用与β值的大小密切相关. 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成盔状结构, 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.      

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.      

各向异性等离子体多重电流片的演化

应用二维三维量磁流体动力学方程组模拟，数值研究了压力各向异性等离子体周期多重电流片的演化，发现在β＜＜1时，微弱的各向异性仅仅使电流片中磁场重联的速度加快，而当β≈1（即热压与磁压相当时，微弱的垂直各向异性不仅大大加速了磁场重联的速度，还使重联位置发生显著变化。初始反对称的磁场重联位形逐步转化为对称的磁场位形，进而再演化为与初始反相的反对称磁场位形，场向各向异性和强的垂直各向异性都导致不稳定性增长率成倍增加。但在场各向异下磁场位形基本不变，只在电流片中心出现不规则扰动，同样参数下向向异性等离子体多重电流片中磁场重联形成的磁岛比各向同性多层电流要小。     

磁场重联的二维粒子模拟研究

利用二维全粒子模拟方法研究了无碰撞等离子体中的磁场重联过程，得到了不同区域的离子和电子速度分布．计算结果表明，电子和离子在扩散区中的不同动力学特性产生的Hall电流使磁场的y分量By呈现四极形分布．离子和电子的速度分布偏离了初态时的Maxwell分布，呈现非局域的多重分布．同时由于磁场重联而产生的电场使电子在X点附近得到加速和加热，因而在电子的能谱分布中形成-高能尾。     

高频Alfven波供能的日冕及太阳风模型

空间探测的最新结果表明，太阳大气中广泛存在小尺度喷发事件，这些事件被认为是由新浮现磁通量导致的小尺度磁重联的表现．小尺度磁重联同时会产生高频Alfven波．本文给出了建立在上述思想基础上的描述日冕加热及太阳风加速的时变二元流体模型的一组数值解，显示解的时间演化、收敛特性及守恒特性．在对由过渡区发出的高频Alfven波频谱的适当假设下，数值解能够解释日冕及太阳风等多方面的观测结果，包括日冕加热，极冕洞密度径向变化，太阳风近日冕底部加速，及在03AU观测到的高速流特征．     

电流片的自发重联与无力场──磁岛的形成

采用二维三分量磁流体力学数值模拟方法,研究了线性无力场对电流片的自发重联的影响。结果表明:电流片的背景场(无力场)对重联的拓扑位形有重要的影响,当无力场因子达到一定值时,在模拟区域内出现大范围的磁岛,磁岛厚度随时间的发展而增加,而无力场因子较小时则没有磁岛形成。当无力场因子为零时,即回到普通的位场情形的单x线重联,位场情形磁场拓扑位形与Scholar的结果一致。      

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.      

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。      

2.5维自适应磁场重联MHD模式

磁雷诺数(R_m)是影响磁场重联的重要因素. 真实的物理环境中R_m往往很高, 例如, 在行星际空间和太阳日冕中R_m通常大于10⁴量级. 高R_m条件下的磁重联表现出很多异常特性, 然而高R_m条件下的磁场重联数值模拟需要很高的时空分辨率, 否则很难分辨出重联过程中形成的薄电流片. 本文基于自适应软件包PARAMESH将并行自适应网格技术引入磁场重联数值模拟, 建立了一个2.5维自适应磁场重联MHD模式, 研究高磁雷诺数条件下重联的动态演化过程, 进而将不同磁雷诺数的参数进行对比研究. 结果表明, 该模式可以自动捕捉到磁场重联产生的奇性电流片, 高磁雷诺数条件下产生的慢激波结构可提供一种快速磁能释放机制.     

无力场的触发重联和太阳耀斑

采用多步隐格式,对在瞬间形成的电流片的触发下的高剪切无力场的磁重联过程进行了数值模拟。磁重联首先在交界面处的非中性电流片区出现,然后向无力场区蔓延。在磁重联过程中,在无力场区形成一高温环状结构,物质向光球层流动。在高温环内侧的新喷发场区,物质向上流动。磁重联主要集中在初始电流片外侧的高剪切无力场区,高温环顶部的温度最高,位置基本固定。在磁重联的过程中,剪切磁场分量的空间梯度减小,无力场因子下降。     

日冕温度上升的新发现

美国航空航天局通过国际太阳观测卫星“ＳＯＨＯ”拍摄的太阳表面图像，成功地观测到覆盖太阳表面的磁力线束在短时间来回移动消失的模样。图像分析结果显示：太阳表面有数万个相当于磁铁Ｓ极和Ｎ极的两种互相吸引的磁力线束。这些磁力线束在约４０小时的时间内重复生成、消失。太阳表面温度有６０００℃，而太阳表面所引起的日冕温度却高达数百万摄氏度，因此可知日冕并不是通过太阳表面温度加热的。科学家推测这可能由于表面磁力线互相交错引起“短路”而产生大量电流，使日冕温度急骤上升。不过一切情况还有待于进一步证实。日冕温度上升…     

太阳风中小尺度磁通量管边界重联的统计研究

通过对WIND卫星1995—2005年的数据,利用程序筛选及人工识别两种不同方法确定的小尺度磁通量管进行比较,发现程序筛选法中41%的小尺度磁通量管有边界重联现象,与人工识别法确定的小尺度磁通量管的统计结果接近;通过人工识别和程序筛选两种方法确定的小尺度磁通量管的边界重联特征,包括磁场剪切角、磁场强度以及重联耗散区的持续时间等,也具有相同的统计趋势.结果表明,两种方法确定的小尺度磁通量管在重联特性上没有本质区别,因此采用这两种方法得到的数据作为样本来统计小尺度磁通量管前后边界重联事件.本文共确定了71个重联事件,统计结果显示有50个(70%)重联耗散区磁场的减小超过20%,47个(66%)磁场剪切角大于90°;多数重联事件的磁场剪切角大于90°,表明小尺度磁通量管边界中主要发生的是反平行重联.将小尺度磁通量管的前后边界重联分开进行统计,结果显示其前后边界重联的特征是相似的,与磁云前后边界存在差异的性质不同,这意味着太阳风中的小尺度磁通量管并不具有磁云这种大尺度磁通量管的膨胀特征.     

太阳－B观测卫星发现太阳风喷口

日本、美国和欧洲的研究人员在最新一期美国《科学》杂志上报告说，他们借助太阳－B观测卫星发现了太阳上的太阳风喷口，以及可能与日冕加热现象有关的阿尔芬波。通过卫星传回的数据形成的分析图像，研究人员发现在太阳黑子上方闪耀着亮光的强磁场活动区域和日冕中气体较稀薄的冕洞区域的一个交界处，有约100万摄氏度的等离子流沿着呈放射状的磁力线，以140km／s速度喷出。     

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。      

磁层氧离子向磁鞘泄漏的机制和效应

１９９７年 １月 １０日磁暴期间， Ｇｅｏｔａｉｌ卫星在向阳侧的磁鞘中观测到了磁层氧离子突增事件．这些氧离子的出现和磁鞘中存在很强的南向行星际磁场有关．事件期间向阳面发生了准静态的磁重联，氧离子流存在由北向南的速度分量．通量突增过程具有逆向和正向能量色散现象，磁层内部只有氧离子有可能被梯度漂移输送到重联区，所以只有氧离子在磁鞘中持续地被观测到．估计氧离子的逃逸速率为 ０．６１× １０２３／ｓ，大约为环电流氧离子输入率的 ３３％．大量的环电流氧离子由磁层跑到了磁鞘，导致环电流指数 ＡＳＹ－Ｈ呈现明显的非对称性．     

电阻磁流体力学模拟的CESE方法

利用时空守恒元解元方法(CESE)和两种改进方法, 即库朗数不敏感(CNIS)方法与高阶CESE方法求解2.5维电阻磁流体力学(resistive MHD)方程组, 模拟了两个单电流片重联问题. 并考察了上述三种方法所得结果的磁场散度. 分析表明, 三种方法所得到的磁场位形基本没有差别, 但在磁场散度上存在一定差异, 相比另外两种方法, CNIS方法在控制磁场散度方面表现得更好.     

2011年8月4日螺旋状日冕物质抛射爆发事件

利用多卫星多波段的综合观测数据,通过追踪光球表面等离子体速度分析计算了耀斑爆发前后磁螺度的变化,发现耀斑爆发前活动区中光球表面存在强的水平剪切运动,活动区磁螺度的注入主要由这种剪切运动所产生;使用CESE-MHD-NLFFF重建了耀斑爆发前后活动区的磁场位形,推测出耀斑过程中存在磁绳结构的抛射.基于这些分析,给出了这一螺旋状抛射结构的形成机制：爆发前暗条西侧足点的持续剪切运动驱动磁通量绳增加扭转,高度扭缠的通量绳与东侧足点附近的开放磁力线重联并与东侧足点断开,进而向外抛出并伴随解螺旋运动.另外,利用1AU处WIND卫星的观测数据在对应的行星际日冕物质抛射中找到典型磁云的观测特征.这表明除了传统上双足点均在太阳表面的磁云模型,这种单足点固定于太阳表面的磁通量绳爆发图景同样可能在行星系际空间形成磁云结构.研究结果对进一步认识磁云结构具有重要意义.     

三维非线性撕裂模耦合和快速磁场重联

基于三维不可压缩电阻性ＭＨＤ方程，在长柱形位型下，数值研究了电阻撕裂模不稳定性所引起的磁场重联过程。研究结果表明，撕裂模的非线性相互作用和耦合，将产生许多模式的强裂解稳和导致快速的磁场重联。这一过程的进一步发展，导致具有螺旋形结构，不同模式的磁岛磁力线重叠，从而引起较大区域内的磁场各态经历和磁力线随机走向，形成撕裂模端动。     

二维磁流体动力学平衡日冕(Ⅱ)

基于解析和数值相结合的方法,进一步讨论了非均匀引力场中日冕的二维磁流体动力学平衡。对临界点进行了比较仔细的处理。得到了包含闭场区、中性片和开场区的大尺度日冕磁场位形,闭场区和中性片构成冕流结构。在高纬和低纬地区几个太阳半径之外,等离子体径向流动速度超过了局地声速和局地Alfvén速度。在1AU处,太阳风速度可达到400kms_-1以上