嵌套闭磁场日冕背景结构对触发CME特征的影响

在子午面内,研究具有嵌套闭磁场结构冕流背景对触发日冕物质抛射(CME)特征的影响.在冕流背景磁场结构内有三个小尺度的闭磁场结构,其中中间小尺度闭磁场结构的磁场方向和冕流整体偶极磁场方向相反.CME触发模型在这个小尺度闭磁场结构下方浮出,它具有同心圆形磁场结构,半径为a=0.1Rs(Rs为太阳半径);CME触发模型前半部分磁场方向和触发位置处小尺度闭磁场结构的磁场方向相反,与冕流整体偶极磁场方向相同.数值模拟结果表明,当CME触发模型中心等离子压力与边界压力之比m≥2时,上浮CME触发模型可以触发CME;当m＜2时,上浮CME触发模型不能触发CME,计算结论的误差小于1%.      

两冕流间CME事件数值模拟的改进

通过偶极子场和六极子场适当叠加，改进猜解磁场，使猜解磁场在太阳南北极符号相反，然后采用理想磁流体力学方程组(MHD)，由猜解磁场与太阳风流动相互作用计算出稳态自洽解，得到定性上与观测比较接近的具有两个冕流的背景结构．在两个冕流间采用具有同心圆磁场位形的触发模型触发CME事件，研究CME的日冕传播特征．模拟结果表明，CME被约束在两冕流间传播，CME闭磁场位形和磁云横截面磁场位形相似，可以解释1AU处观测磁云的部分特征；在CME附近，存在压力和Lorentz力起主要作用的区域，这可以为分析1AU处CME事件的观测数据提供帮助．     

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.     

太阳大气中有限振幅磁场扰动的动力学过程

本文从完整的磁流体动力学方程组出发,通过太阳大气中磁力线管根部有限振幅磁场的扰动,研究了非线性磁场的动力学演化。假设初始磁场位形足β<<1的势场,根部磁力线管磁场扰动,驱动等离子体运动,一部分磁能转换为等离子体动能。等离子体压缩运动具有快磁声波的特性。计算结果给出非线性磁场演化的定量关系,可以解释太阳大气中日冕活动过程。也可用于模拟实验室里高β实验装置中的等离子体的持性。      

火星空间磁场结构特征

在火星空间模拟的单流体MHD模型的基础上, 研究了火星空间磁场结构及火星表面局部磁异常对磁场结构的影响. 在太阳风与火星相互作用的过程中, 形成弓激波和磁堆积区, 行星际磁场弯曲并向两极移动且被拖拽变形, 大部分磁力线从火星两极绕过, 通过火星之后在磁尾留下V字形结构. 火星表面附近局部磁异常也对火星磁场结构产生不可忽视的影响. 不同位置和强度的磁异常与太阳风相互作用形成结构及形态各异的微磁层, 如被拖拽的微磁层和存在开磁力线的微磁层等. 局部磁异常改变了近火磁场结构, 并可能改变等离子体的分布.      

嵌套闭磁场结构内CME产生和传播的数值模拟

给出了特殊类型的日冕物质抛射(CME)数值模拟定性结果,这种CME核心闭磁场结构前半部分磁力线的方向与太阳整体偶极场磁力线的方向相反．计算结果表明,这种CME核心闭磁场结构磁力线与太阳整体偶极场反向磁力线之间存在过渡磁场结构,在向外传播时过渡磁场结构所占的面积逐渐增大．这一结果可以用来解释飞船为什么能够观测到一类双极磁云,这类磁云前半部分磁场方向与太阳整体偶极场方向相反．为了模拟这一数值结果,强调需要采用包含嵌套闭磁场的冕流背景结构,并在合适的位置触发CME．     

太阳大气中磁场的扭转储能

本文从完整的磁流体动力学方程组出发, 研究太阳大气中磁力线管根部的扭转储存能量。通过数值方法, 研究了包含太阳表面过渡区在内的非线性无力场的动力学演化。假设初始磁场位形为势场, 根部等离子体运动使活动区磁场扭转。磁能蓬新分布, 在局部区域中储存大量的磁能。计算结果给出非线性无力场的定量关系, 可以解释太阳耀斑的储能过程。      

2009年2月13日EUV波现象数值研究

结合STEREO卫星的观测和三维磁流体力学数值模拟方法, 采用WSO (Wilcox Solar Observatory)磁场数据和势场源表面模型建立日冕初始磁场, 并在日面活动区加上时变的压强扰动, 对2009年2月13日05:35UT爆发的CME-EUV波(Coronal Mass Ejections-Extreme Ultraviolet wave, 日冕物质抛射-远紫外波)事件进行研究. 从COR1/STEREO-A图像判断, 此次CME前沿速度约340km·s-1, 角宽度约60°; 分析EUVI/STEREO-B 195 ?的差分图像, 可以看到, 环形亮环波前从活动区向四周传播, 亮环波前后面是日冕暗化区, 取四个方向的波前位置进行线性拟合可知, 该EUV波速度为247km·s-1, 数值模拟得到的EUV波速度为245km·s-1, 将计算结果采用IDL可视化后可以看到明显的亮环和暗区结构, 数值模拟结果与卫星观测相一致, 表明该EUV波现象是快磁声波.      

磁壳参数L与磁暴Dst指数和行星际条件的关系

用磁坐标L-/A来描述地球近地空间粒子特性和卫星位置是近年来空间物理探测研究和数据分析中的一个新趋势.利用T96磁场模型计算了L值,并比较了在地球磁层剧烈活动期间和不同行星际条件下,用偶极子模型,国际参照磁场(IGRF)模型,和T96磁场模型这三种方式计算得到的地球表面L-A磁坐标之间的区别.在地磁纬度大于30°时偶极子近似和IGRF磁场模型计算得到的L值差别开始增大.在地磁纬度大于50°时,用IGRF磁场模型和T96磁场模型计算得到的L值差别开始增大.由于T96磁场模型引入了行星际磁场南北和东西分量,计算的L值包含了行星际条件的影响,并具有了随地方时变化的特性.本工作对于辐射带粒子动态模式的建立,以及正确理解卫星磁坐标位置等具有重要意义.     

引导场对无碰撞电流片低频电磁不稳定性的影响

通过数值求解无碰撞电流片中可压缩磁流体力学模型下得到的一般形式的色散关系,讨论了无碰撞电流片中引导场对低频电磁波不稳定性的影响.结果表明,平衡态磁场中的引导场,对于三维扰动传播的波不稳定性有很强的影响.(1)在电流片中间平面上(z=0),无引导场时,没有不稳定性发生,但若存在引导场,不稳定性便发生,并随着引导场的增强,不稳定性明显增强,不稳定的波模可能是低混杂模.(2)在中间平面附近(z=0.2),电流片是不稳定的.随着引导场的增强,不稳定性增长率明显地增强,不稳定的波模从平行和反平行两个方向传播变为反平行方向一个方向传播,并且是斜传播的,具有低频哨声模或低混杂模的特征.(3)在电流片边缘附近(z=0.8),引导场对不稳定的波模和增长率没有明显影响,不稳定的波模都是准平行的哨声波.      

The large-scale solar variability through the cycle

Observational evidence for solar variability along the cycle has been considered. Two fundamental questions for the understanding of the solar structure and evolution are addressed :One concerning the detection of the large - scale dynamics of the convective zone which may be responsible for the generation and the maintenance of the solar differential rotation. There is evidence of a large - scale axisymmetric pattern (rolls) by observations of the meridional circulation and the transport of angular momentum by fluid motion. The rolls are time - dependent and are related to the torsional wave pattern.The second important question addresses the variability of the convective zone structure (radius and luminosity). Several independent observations favour a pulsation of the convective envelope, through cyclic variations of the radius and luminosity exhibiting the same periodicities as the magnetic sunspot cycle.It is suggested that we are in the presence of two strongly coupled cycles, a magnetic cycle and a convective pulsating cycle. The axisymmetric rolls (and related torsional oscillations) could be the main convective influence on the production of the magnetic field.     

太阳风局部加速的磁流体力学过渡特征

本文讨论了轴对称磁力线管中太阳风从亚声速和亚阿尔文速度加速到超声速和超阿尔文速度的过程。考虑到流动和场的二维效应以后,除去临界声速线M2=1以外,还有临界阿尔文速线M_A2=1和M2+M_A2=1。这时,磁力线管中存在三次过渡,使磁流体力学方程组的类型从椭圆型变为双曲型,再变为椭圆型,最后变为双曲型。由于日冕中的典型声速和阿尔文速度具有相同的量级,而且人们对磁力线管的急剧膨胀很有兴趣,这就需要讨论二维磁流体力学方程组的自(冫合)解。太阳风的局部流管中有可能出现多次过渡的流动特征。      

Three-dimensional magnetic reconnection regimes: A review

The magnetic field in many astrophysical plasmas – such as the solar corona and Earth’s magnetosphere – has been shown to have a highly complex, three-dimensional structure. Recent advances in theory and computational simulations have shown that reconnection in these fields also has a three-dimensional nature, in contrast to the widely used two-dimensional (or 2.5-dimensional) models. Here we discuss the underlying theory of three-dimensional magnetic reconnection. We also review a selection of new models that illustrate the current state of the art, as well as highlighting the complexity of energy release processes mediated by reconnection in complicated three-dimensional magnetic fields.     

背景太阳风数值模拟的熵守恒格式

背景太阳风研究是根据行星际扰动传播情况预测空间天气状况的基础,磁流体（MHD）模拟是背景太阳风研究的重要手段.采用一种新的数值计算方式,利用Ideal GLM-MHD将计算过程中产生的磁场散度以c_h的速度向计算区域外传播,从而消去磁场散度;重构部分使用受约束的最小二乘法,将磁场散度作为约束条件添加到重构中,进一步对重构后的磁场梯度进行修正;通量计算采用满足热力学第二定律的熵守恒格式,该格式能够确保在计算过程中熵不增,保证数值稳定.研究结果表明,该方法应用于太阳风数值模拟的求解得到了更加稳定的结果.      

Large scale MHD properties of interplanetary magnetic clouds

Magnetic Clouds (MCs) are the interplanetary manifestation of Coronal Mass Ejections. These huge astrophysical objects travel from the Sun toward the external heliosphere and can reach the Earth environment. Depending on their magnetic field orientation, they can trigger intense geomagnetic storms. The details of the magnetic configuration of clouds and the typical values of their magnetohydrodynamic magnitudes are not yet well known. One of the most important magnetohydrodynamic quantities in MCs is the magnetic helicity. The helicity quantifies several aspects of a given magnetic structure, such as the twist, kink, number of knots between magnetic field lines, linking between magnetic flux tubes, etc. The helicity is approximately conserved in the solar atmosphere and the heliosphere, and it is very useful to link solar phenomena with their interplanetary counterpart. Since a magnetic cloud carries an important amount of helicity when it is ejected from the solar corona, estimations of the helicity content in clouds can help us to understand its evolution and its coronal origin. In situ observations of magnetic clouds at one astronomical unit are in agreement with a local helical magnetic structure. However, since spacecrafts only register data along a unique direction, several aspects of the global configuration of clouds cannot be observed. In this paper, we review the general properties of magnetic clouds and different models for their magnetic structure at one astronomical unit. We describe the corresponding techniques to analyze in situ measurements. We also quantify their magnetic helicity and compare it with the release of helicity in their solar source for some of the analyzed cases.