多極背景場(chǎng)下日冕磁繩系統(tǒng)的災(zāi)變行為.pdf

1、日冕物質(zhì)拋射(CME)是大尺度的太陽(yáng)活動(dòng)現(xiàn)象，它引起地球空間環(huán)境的劇烈擾動(dòng)，是空間災(zāi)害天氣的主要源頭。對(duì)CME的觀測(cè)和理論研究，是太陽(yáng)物理和日地空間物理領(lǐng)域十分重要的課題。盡管這些研究已經(jīng)開展了兒十年，但是由于觀測(cè)技術(shù)的限制，到現(xiàn)在為止，人們連CME的起源都沒有完全研究清楚。本文就CME的起源問(wèn)題作了相應(yīng)的研究，并提出了可能的CME觸發(fā)機(jī)制。 我們首先回顧了CME的觀測(cè)特征以及研究現(xiàn)狀，然后介紹了CME的理論模型，其中，重點(diǎn)介紹

2、了與本文的工作密切相關(guān)的日冕磁繩災(zāi)變模型。隨后，介紹了我們?cè)谌彰岽爬K災(zāi)變研究方面取得的成果。我們采用球坐標(biāo)下的2.5維MHD模型，研究了不同背景場(chǎng)中日冕磁繩系統(tǒng)的平衡特性和災(zāi)變行為。 首先研究了八極子背景場(chǎng)中日冕磁繩系統(tǒng)的災(zāi)變行為。背景場(chǎng)包含三個(gè)磁拱：兩側(cè)的磁拱完全閉合，中心磁拱為部分開放場(chǎng)；磁繩位于中心磁拱之中。初始時(shí)磁繩附著于光球表面，系統(tǒng)處于平衡態(tài)。我們發(fā)現(xiàn)日冕磁繩系統(tǒng)存在災(zāi)變行為：當(dāng)磁繩的環(huán)向磁通或者軸向磁通超過(guò)某一個(gè)臨

3、界值時(shí)，磁繩向上噴發(fā)，逃逸到無(wú)窮遠(yuǎn)。對(duì)于無(wú)力場(chǎng)情況，我們計(jì)算了系統(tǒng)的災(zāi)變能閾。我們發(fā)現(xiàn)，盡管在所有事例中，災(zāi)變能閾都超過(guò)了其對(duì)應(yīng)部分開放場(chǎng)的能量，但是災(zāi)變能閾的大小與磁繩磁通和中心磁拱的開放程度有關(guān)。當(dāng)中心磁拱的開放磁通給定時(shí)，系統(tǒng)的災(zāi)變能閡隨著災(zāi)變點(diǎn)處磁繩環(huán)向磁通的增加或者軸向磁通的減小而增加；當(dāng)災(zāi)變點(diǎn)處磁繩的環(huán)向磁通和軸向磁通給定時(shí)，災(zāi)變能閾隨著中心磁拱開放磁通的增加而減小。這與偶極場(chǎng)背景下的結(jié)果不同。在偶極背景場(chǎng)下，系統(tǒng)的災(zāi)變能閾

4、與災(zāi)變點(diǎn)處磁繩的磁通和背景場(chǎng)的開放程度兒乎沒有關(guān)系。我們對(duì)兩種背景場(chǎng)下出現(xiàn)不同結(jié)果的原因進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。 其次，我們研究了八極子背景場(chǎng)中含有多個(gè)日冕磁繩系統(tǒng)的災(zāi)變行為。背景磁場(chǎng)為八極子無(wú)力場(chǎng)，它包含三個(gè)雙極場(chǎng)，位于中心的雙極場(chǎng)部分開放。每個(gè)雙極場(chǎng)內(nèi)部各有一根磁繩，它們均附著于光球表面。從這個(gè)初態(tài)出發(fā)，我們通過(guò)增加任一個(gè)磁繩的環(huán)向磁通或者軸向磁通，在理想MHD和電阻MHD兩種情況下分別分析系統(tǒng)的災(zāi)變行為。結(jié)果表明，當(dāng)任一個(gè)磁繩的環(huán)

5、向或者軸向磁通超過(guò)某個(gè)臨界值時(shí)，該磁繩將向上噴發(fā)，在其下面生成一個(gè)新的電流片。其它的磁繩的命運(yùn)取決于新生電流片上是否發(fā)生磁場(chǎng)重聯(lián)。在理想MHD即不出現(xiàn)重聯(lián)的情況下，其余磁繩將依然附著于光球表面，處于平衡狀態(tài)；而在電阻MHD的情況下，這些磁繩也會(huì)向上噴發(fā)。在此過(guò)程中，磁場(chǎng)重聯(lián)扮演了十分重要的角色，它引起背景磁場(chǎng)拓?fù)湮恍蔚母淖?，減弱了背景場(chǎng)對(duì)依然附著于光球的磁繩的約束，降低了相應(yīng)的災(zāi)變能閩，導(dǎo)致這些磁繩的災(zāi)變式噴發(fā)。含有多個(gè)日冕磁繩系統(tǒng)的災(zāi)

6、變行為表明，位于不同活動(dòng)區(qū)的獨(dú)立磁通量系統(tǒng)之間的相互作用提供了一個(gè)可能的物理機(jī)制去解釋觀測(cè)到的同調(diào)事件。最后，我們研究了背景場(chǎng)存在新磁通浮現(xiàn)的情況下，日冕磁繩系統(tǒng)的災(zāi)變行為，以此來(lái)重新考察新磁通浮現(xiàn)與CME的關(guān)系。在本研究中，我們固定磁繩的磁通不變，通過(guò)引入光球磁通浮現(xiàn)來(lái)改變背景場(chǎng)，從中考察日冕磁繩系統(tǒng)對(duì)磁通浮現(xiàn)的相應(yīng)。初始時(shí)背景場(chǎng)為無(wú)力場(chǎng)，磁繩附著于光球表面，外部為雙極場(chǎng)。在光球表面的某個(gè)區(qū)域浮現(xiàn)新的磁通后，背景磁場(chǎng)的拓?fù)湮恍螌?huì)發(fā)生

7、改變，在新浮現(xiàn)磁通和背景磁通之間會(huì)形成電流片。我們發(fā)現(xiàn)，隨著浮現(xiàn)磁通量的增加，日冕磁繩系統(tǒng)在有些情況下會(huì)存在災(zāi)變行為，其影響因素包括新浮現(xiàn)磁通的位置、方向以及新浮現(xiàn)磁通與背景磁通之間的電流片上面是否發(fā)生磁場(chǎng)重聯(lián)。對(duì)于浮現(xiàn)區(qū)位于赤道一側(cè)的情況，我們按浮現(xiàn)磁通取向分為兩類。對(duì)于浮現(xiàn)磁通與背景磁通同向的情形，不管新生電流片上是否發(fā)生磁場(chǎng)重聯(lián)，只要新浮現(xiàn)磁通超過(guò)某個(gè)臨界值，磁繩就會(huì)向上噴發(fā)，發(fā)生災(zāi)變。新生電流片上的重聯(lián)的作用僅僅在于降低了上述浮

8、現(xiàn)磁通的臨界值。相反，如果浮現(xiàn)磁通與背景磁通反向，則磁繩始終附著于光球，不會(huì)發(fā)生災(zāi)變。當(dāng)浮現(xiàn)區(qū)中心位丁赤道時(shí)，浮現(xiàn)磁通和背景磁通之間形成的電流片上是否存在磁場(chǎng)重聯(lián)對(duì)系統(tǒng)的災(zāi)變行為有著重要的影響。若不存在磁場(chǎng)重聯(lián)，不管浮現(xiàn)磁通的取向如何，系統(tǒng)都存在災(zāi)變，只不過(guò)當(dāng)浮現(xiàn)磁通與背景磁通反向時(shí)災(zāi)變更容易被觸發(fā)。當(dāng)新生電流片上出現(xiàn)磁場(chǎng)重聯(lián)時(shí)，只有當(dāng)浮現(xiàn)磁通與背景磁通反向時(shí)，系統(tǒng)才會(huì)發(fā)生災(zāi)變；與不出現(xiàn)重聯(lián)的情況相比，系統(tǒng)災(zāi)變的觸發(fā)變得更加容易。當(dāng)考慮