本文關(guān)鍵詞：太陽(yáng)低層大氣小尺度活動(dòng)數(shù)值模擬研究

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【摘要】：在太陽(yáng)耀斑、日冕物質(zhì)拋射(CME)和其他太陽(yáng)活動(dòng)現(xiàn)象中,磁重聯(lián)一直都扮演著至關(guān)重要的作用。然而越來(lái)越多的作者把注意力集中在了太陽(yáng)小尺度的活動(dòng)之上,比如Ellerman炸彈、微耀斑、色球噴流等等。其原因在于這些小尺度活動(dòng)有著相對(duì)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu),比較容易研究。研究這些活動(dòng)有助于我們理解太陽(yáng)活動(dòng)的基本物理機(jī)制,并為我們研究大尺度活動(dòng)現(xiàn)象提供線索和依據(jù)。 微耀斑是一種小尺度、持續(xù)時(shí)間短的太陽(yáng)活動(dòng)現(xiàn)象。關(guān)于微耀斑的研究已經(jīng)有幾十年的歷史。從統(tǒng)計(jì)的結(jié)果來(lái)看,微耀斑的大小從幾個(gè)角秒到20個(gè)角秒不等,持續(xù)時(shí)間在10-30分鐘之間,釋放的能量在1025-1029爾格之內(nèi)。微耀斑在各個(gè)波段都有觀測(cè),比如Ha、軟X射線、硬X射線以及微波輻射等等。但是并不是所有的微耀斑同時(shí)在所有波段都有觀測(cè)。微耀斑的觀測(cè)特性,比如加熱現(xiàn)象、與磁場(chǎng)的聯(lián)系、持續(xù)時(shí)間和高能粒子的存在等等,都說(shuō)明了微耀斑是磁重聯(lián)的結(jié)果,與大耀斑類似。 我們主要使用磁流體(MHD)數(shù)值模擬來(lái)研究微耀斑的形成和演化。使用的模擬程序主要有兩個(gè)代碼。其一是基于CIP-MOCCT格式的有限差分格式,CIP格式主要處理流體部分,而MOCCT方法主要用于處理磁場(chǎng)部分,保持在演化過(guò)程中磁場(chǎng)的散度始終不變。另外一個(gè)代碼是MAP程序。MAP是基于FORTRAN程序語(yǔ)言用于計(jì)算MHD方程組的天體物理程序。其中使用了自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)(AMR)的高級(jí)算法和完全MPI并行化。MAP程序中集成了三種可選的數(shù)值格式,分別為MMC (modified Mac Cormack scheme)、LF (Lax-Friedrichs scheme)和WENO (weighted essentially non-oscillatory scheme)格式。三種格式都是二階、二步、分量形式(component wise)的用于計(jì)算雙曲守恒率方程組的數(shù)值格式。TVD (total variation diminishing)限制器和近似Riemann解法也包含在內(nèi)。雖然格式是二階的,但是AMR算法可以使數(shù)值計(jì)算在達(dá)到盡可能高的分辨率的同時(shí)盡量縮短計(jì)算時(shí)間。除此之外,MAP程序通過(guò)使用EGLM (extendedgeneralized Lagrange multiplier)-MHD方程組來(lái)減少磁場(chǎng)散度誤差。處理其他源項(xiàng)所使用的數(shù)值計(jì)算方法也有詳細(xì)的介紹。 在考慮了重力、電離和輻射的情況下,我們使用CIP-MOCCT格式求解2.5維可壓縮電阻MHD方程組來(lái)研究色球微耀斑現(xiàn)象。模擬中微耀斑的能量主要來(lái)自于通過(guò)磁重聯(lián)過(guò)程釋放的磁場(chǎng)能量。寧?kù)o太陽(yáng)大氣VALC模型和10%的氦豐度也考慮到模擬之中。我們的2.5維模擬可以定量的解釋微耀斑在色球的溫度增加情況。模擬還發(fā)現(xiàn)溫度的增加量△T主要受到背景磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響,而微耀斑的演化時(shí)間At與模擬所假設(shè)的反常電阻的大小有關(guān)系。在一系列模擬中,我們找到一個(gè)溫度增加與磁場(chǎng)、重聯(lián)高度和反常電阻值之間的標(biāo)度率,即AT/At-nH-1.5B2.1η0.88。另外,模擬中向上的噴流速度遠(yuǎn)大于向下的噴流速度,X重聯(lián)點(diǎn)的位置也會(huì)隨模擬的演化有所上升和下降。 雖然用模擬得到的微耀斑可以定量解釋色球微耀斑的溫度增加現(xiàn)象,但是這個(gè)模擬的最大問(wèn)題還在于其使用了十分簡(jiǎn)單的磁位形,模擬中并不考慮這種反向平行的磁場(chǎng)位形是如何形成的,我們也只關(guān)注了磁重聯(lián)發(fā)生之后的微耀斑演化過(guò)程。此外,微耀斑在EUV或者軟x射線等高溫波段的輻射也不能通過(guò)色球磁重聯(lián)的模擬得到。為了更加自洽的解釋微耀斑的形成和演化過(guò)程,我們又進(jìn)行了更加深入的MHD模擬。在新的模擬中,磁重聯(lián)由新浮磁流和背景磁場(chǎng)之間的相互作用產(chǎn)生。背景磁場(chǎng)則是使用了更加貼近實(shí)際的傘蓋磁位形,每個(gè)傘蓋磁場(chǎng)都扎根于超米粒的邊界。通過(guò)實(shí)時(shí)地改變底邊界條件,新浮磁流從超米粒的中心浮出并與已經(jīng)存在的傘蓋磁場(chǎng)相互作用,從而發(fā)生磁重聯(lián)。我們成功模擬出了日冕起源和色球起源的微耀斑。這兩種微耀斑的區(qū)別在于其X重聯(lián)點(diǎn)的高度分別處于日冕中和色球中。具有日冕起源的微耀斑有著較大的尺寸和更高的溫度,其熱的噴流的溫度可以達(dá)到-1.8×106K,對(duì)應(yīng)于觀測(cè)中的EUV/SXR噴流,其冷的噴流的溫度為-104K,對(duì)應(yīng)于觀測(cè)中的Hα/Ca日浪。而具有色球起源的微耀斑由于其重聯(lián)高度很低,模擬中只有色球?qū)佑袦囟仍黾蝇F(xiàn)象,對(duì)應(yīng)于Hα/Ca亮點(diǎn)。參數(shù)依賴研究表明新浮磁流的尺度和磁場(chǎng)強(qiáng)度是決定重聯(lián)高度的關(guān)鍵性參數(shù)。 最近,色球?qū)又袩o(wú)處不在的噴流被Hinode衛(wèi)星的SOT望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn),比如色球海葵狀噴流、黑子半影微噴流、針狀物和黑子本影亮橋噴流等等。一般認(rèn)為,這些微小的頻繁出現(xiàn)的噴流是低層大氣磁重聯(lián)的結(jié)果。但是這些噴流的三維磁場(chǎng)位形依然不是很清楚。在這里我們提出一種可用于解釋這些噴流現(xiàn)象的可能模型。在太陽(yáng)低層大氣,剪切的磁場(chǎng)之間的磁重聯(lián)會(huì)產(chǎn)生一種扇型噴流,這種噴流具有一個(gè)十分有趣的特性,那就是其能沿著引導(dǎo)磁場(chǎng)的方向運(yùn)動(dòng)。而通常情況下,引導(dǎo)磁場(chǎng)又是比較垂直于太陽(yáng)表面的,因此我們的扇型噴流可用于解釋觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)的色球噴流現(xiàn)象,同時(shí)此模擬也能為天體物理其他領(lǐng)域的噴流現(xiàn)象提供了觀測(cè)依據(jù)。
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號(hào)】：P182

【共引文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1292903