太陽大氣多尺度噴流及相關(guān)的能量轉(zhuǎn)換與輸運.pdf

1、噴流(Jet)是太陽大氣中最常見的爆發(fā)活動之一。它們的爆發(fā)，代表著色球?qū)酉蛉彰嶂凶⑷肓烁邷氐入x子體。它們的發(fā)生常伴隨著磁場重聯(lián)，代表著太陽大氣磁場能量的釋放和色球?qū)酉蛉彰岬哪芰枯斶\。同時，噴流在觸發(fā)的過程中還經(jīng)常伴隨著耀斑、日冕物質(zhì)拋射和射電暴事件，引起空間天氣的變化和地球磁場的擾動。因此，研究太陽大氣噴流不僅能夠加深我們對太陽的磁場結(jié)構(gòu)、演化、日冕加熱等關(guān)鍵問題的理解;還能有助于我們了解耀斑、日冕物質(zhì)拋射和高能粒子事件的爆發(fā)機制，增強

2、我們預報空間天氣變化的能力。
　　然而，由于缺乏高精度的觀測手段，關(guān)于噴流的運動學特征、能量轉(zhuǎn)換過程以及它們與太陽大氣波動的相互作用、對日冕加熱和太陽風加速的貢獻等問題仍然很不清楚。我們將太陽大氣中的噴流分為大尺度噴流和小尺度噴流兩類。其中大尺度噴流指的是太陽日冕中觀測到的、從底部大氣噴發(fā)的、偶發(fā)的、（時常）伴隨明顯耀斑的大量等離子體物質(zhì)（長度經(jīng)常為幾十到數(shù)百兆米）噴發(fā)現(xiàn)象。而小尺度噴流則指的是太陽色球?qū)拥饺彰嶂袕V泛存在的、具有準

3、周期性的、小尺度的等離子體物質(zhì)噴發(fā)現(xiàn)象。在本論文中，我們將分別從大尺度噴流和小尺度噴流的角度系統(tǒng)地展開對太陽大氣噴流細致而深入的研究，以冀能夠在一定程度上增加我們對太陽大氣噴流現(xiàn)象和規(guī)律的認識。
　　1、大尺度噴流的動力學過程前人的研究表明，太陽大氣大尺度噴流由底部的磁場重聯(lián)觸發(fā)。磁場重聯(lián)不僅加熱了噴流等離子體，還為噴流提供了初始的動能。然而，在重聯(lián)結(jié)束之后噴流仍然可以上升到一個高于它的初速度所能達到的不尋常的高度。以前的研究專注

4、于噴流的觸發(fā)機制，很少涉及到噴流觸發(fā)之后的能量過程。我們首先利用SDO AIA和STEREO EUVI的多角度、多波段觀測，對一個日冕大尺度極紫外噴流做了詳細的動力學分析。我們發(fā)現(xiàn)，在磁場重聯(lián)之后，由于磁場解旋所帶來的洛倫茲力為噴流提供持續(xù)的向上推動力。在整個噴流過程中，噴流從解旋過程所獲得的動能是從磁場重聯(lián)中獲得的動能的1.6倍。同時我們發(fā)現(xiàn)，磁場的解旋過程使得噴流能夠保持不斷的旋轉(zhuǎn)。噴流的旋轉(zhuǎn)速度和周期在它上升和下降的過程中幾乎沒有

5、任何減小的跡象。最后我們分析了噴流所攜帶的能流，我們發(fā)現(xiàn)，即使噴流的能量只有2％發(fā)生了耗散，也足夠加熱當?shù)氐牡入x子體。因此我們相信，大尺度噴流有可能對加熱局地日冕有所貢獻。
　　基于以上的結(jié)果，我們進一步分析日冕大尺度噴流過程中磁場能量釋放的規(guī)律。同樣利用SDO AIA和STEREO EUVI的多角度、多波段觀測，我們呈現(xiàn)了太陽雙生噴流的首次觀測分析和數(shù)值模擬。一個太陽大尺度噴流作為前導噴流被觸發(fā)，并表現(xiàn)出了典型的井噴式(Blow

6、out)噴流的特征。對這個前導噴流的運動過程和動力學能量的分析表明，磁場重聯(lián)之后的磁場解旋過程注入到噴流的動能是磁場重聯(lián)注入的動能的1.6倍。然而，整個過程到這里還沒有結(jié)束。在前導噴流即將回落到達日面的時候，它的附近同時出現(xiàn)了兩個細小的大尺度噴流。所有的觀測證據(jù)都表明這兩個細小的噴流源于同一個觸發(fā)過程——它們是雙生噴流。三維磁流體力學數(shù)值模擬的結(jié)果表明，在前導噴流的爆發(fā)過程中形成了一個S形的磁場結(jié)構(gòu)。這個S形的磁場結(jié)構(gòu)的兩臂與背景磁場的

7、進一步重聯(lián)，觸發(fā)了我們觀測到的雙生噴流。雙生噴流代表磁場能量在重聯(lián)和解旋之后的進一步的自由能釋放，使得我們對噴流的能量釋放以及太陽局部磁場演化規(guī)律的認識更近了一步。
　　另一方面，大量研究表明大尺度噴流和太陽耀斑保持了密切的關(guān)系。然而，噴流與日冕物質(zhì)拋射是否有關(guān)聯(lián)呢？噴流是否只是太陽大氣中的“無害”活動而不會引起近地空間環(huán)境的劇烈變化呢？通過利用SDO、STEREO和SOHOLASCO的極紫外、白光日冕的多角度觀測，我們分析了一個

8、觸發(fā)了高速日冕物質(zhì)拋射的噴流事件。這個被觸發(fā)的日冕物質(zhì)拋射的徑向速度超過了每秒1000公里，對太陽風以及行星際環(huán)境造成劇烈的擾動。而觸發(fā)了日冕物質(zhì)拋射的噴流位于日冕物質(zhì)拋射的正下方，是它的爆發(fā)推動了上方泡狀體的運動并最終導致了日冕物質(zhì)拋射的爆發(fā)。磁場和極紫外的觀測表明，這個大尺度噴流是由一個典型的三維磁零點的磁場重聯(lián)觸發(fā)的，為大尺度噴流的三維磁場重聯(lián)理論提供了重要的觀測證據(jù)。我們同時發(fā)現(xiàn)噴流的旋轉(zhuǎn)運動存在明顯的減速行為。旋轉(zhuǎn)運動的減速過

9、程可能是由于噴流底部的初始磁場結(jié)構(gòu)導致的，也可能是噴流的旋轉(zhuǎn)動能傳遞給了日冕物質(zhì)拋射——具體的機制還需要更多的觀測證據(jù)和分析。
　　2、小尺度噴流與大氣波動的相互作用小尺度噴流包括Ⅰ類針狀物、Ⅱ類針狀物和日冕中的準周期性物質(zhì)流。前人的研究表明，日冕中的準周期性物質(zhì)流動是色球?qū)又械蘑蝾愥槧钗镌谌彰嶂械谋憩F(xiàn)結(jié)果。而Ⅱ類針狀物的爆發(fā)機制與前面所述的大尺度噴流的爆發(fā)機制完全一致，都是起源于足點處的磁場重聯(lián)。研究表明準周期性物質(zhì)流動在日冕（

10、包括冕環(huán)）中是廣泛存在的，我們試圖研究它們是否會和日冕中同樣廣泛存在的類阿爾芬波產(chǎn)生相互作用。眾所周知，類阿爾芬波攜帶了足夠的能流用于加熱日冕，那么它們的波動能量是如何損耗的呢？如果周期為3-5分鐘、速度為600kms-1的類阿爾芬波在日冕傳播的過程中遇到了周期更長（15分鐘）、速度更慢(100kms-1)的準周期性的密度增強（小尺度噴流），就會發(fā)生一系列的波動的反射和透射。進而引起波動的串極效應，形成類阿爾芬波湍，造成波動能量的損失和

11、對局地日冕的加熱。那么這種情況是否真實存在呢？通過研究37個冕環(huán)中的類阿爾芬波的傳播特性，我們發(fā)現(xiàn)這些類阿爾芬波在冕環(huán)的頂點附近表現(xiàn)出了高頻溢出現(xiàn)象。這種高頻溢出現(xiàn)象是類阿爾芬波湍流的潛在證據(jù)。進一步分析表明，冕環(huán)中的高頻溢出現(xiàn)象與冕環(huán)的長度成正比，這一點和湍流的假設結(jié)果一致。同時，冕環(huán)中譜線觀測線寬的關(guān)系同樣支持湍流的存在。綜合所有證據(jù)，我們認為太陽的冕環(huán)中廣泛存在的準周期性小尺度噴流和類阿爾芬波相互作用確實可以產(chǎn)生湍流。以上結(jié)果表明

12、，準周期性小尺度噴流在日冕加熱的過程中起著重要的作用。
　　那么，小尺度噴流是否也會對高速太陽風在低日冕中的加速起到作用呢？我們利用SDO和CoMP的觀測數(shù)據(jù)，分析了2011年12月20日太陽南極區(qū)的14個極羽。詳細的分析揭示了在極羽中同時存在的類阿爾芬擾動和準周期性的小尺度噴流。垂直擾動的類阿爾芬波的平均速度振幅為0.5km s-1、天空平面的投影相速度為830km s-1、周期為3-5分鐘。而準周期性的小尺度噴流的速度則為12

13、0km s-1、周期為更長的15分鐘。這說明，太陽的冕洞區(qū)域在低日冕范圍內(nèi)同樣廣泛存在著準周期性的小尺度噴流和類阿爾芬波。它們的同時出現(xiàn)，為類阿爾芬湍流的觸發(fā)提供了極大的可能性。以上結(jié)果表明，準周期性的小尺度噴流在高速太陽風的加速過程中也有可能發(fā)揮著重要作用。
　　最后，我們研究了一個可能由準周期性小尺度噴流驅(qū)動的慢磁聲波的觀測事件。這些與準周期性小尺度噴流共存的慢磁聲波出現(xiàn)在2011年9月25日著名的太陽龍卷風事件中。這是在太陽

14、寧靜區(qū)中的慢磁聲波的首次觀測證據(jù)。我們發(fā)現(xiàn)，這些慢磁聲波表現(xiàn)出了明顯的多溫度特性——它們在較高溫度的AIA171(A)波段中的傳播相速度為101km s-1，而在較低溫度的304(A)波段中的相速度則相應地更小(70km s-1)。它們的周期則為很小的50秒，大約為冕洞和活動區(qū)中慢磁聲波周期的1/5-1/10。對這些慢磁聲波攜帶的能流的估計表明任何一束慢磁聲波不足以加熱局地日冕，然而觀測中我們發(fā)現(xiàn)經(jīng)常在同時出現(xiàn)多束慢磁聲波，它們對日冕加