光球磁通分布和背景太陽風(fēng)對(duì)日冕磁繩災(zāi)變的影響研究.pdf

1、日冕物質(zhì)拋射(CME)屬于大尺度太陽活動(dòng)現(xiàn)象，它能造成地球空間環(huán)境的劇烈擾動(dòng)，是空間災(zāi)害天氣的主要源頭．對(duì)CME的觀測和理論研究，是太陽物理和日地空間物理領(lǐng)域非常活躍的前沿課題．近年來，作為CME的重要觸發(fā)機(jī)制之一的日冕磁繩災(zāi)變，引起了學(xué)術(shù)界的普遍關(guān)注．本文將在前人相關(guān)工作的基礎(chǔ)上，從一個(gè)新的側(cè)面就這一問題開展數(shù)值模擬研究． 在簡單回顧C(jī)ME的觀測特征和研究現(xiàn)狀之后，本文著重總結(jié)CME理論模型研究的最新進(jìn)展，其中特別是與本文相關(guān)

2、的日冕磁繩災(zāi)變模型研究．在此基礎(chǔ)上，介紹我們?cè)谌彰岽爬K災(zāi)變模型方面取得的研究成果． 本文采用球坐標(biāo)下的2.5維理想磁力體力學(xué)模型，構(gòu)建由背景磁場和孤立磁繩構(gòu)成的平衡系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上分別研究背景場的光球磁通分布和背景太陽風(fēng)對(duì)日冕磁繩系統(tǒng)平衡特性和災(zāi)變行為的影響． 為分析光球磁通分布對(duì)日冕磁繩災(zāi)變的物理效應(yīng)，我們首先假定背景磁場為雙極勢場，且按一定的方式對(duì)其光球磁通分布進(jìn)行調(diào)整．當(dāng)磁通分布向極區(qū)方向集中時(shí)，所對(duì)應(yīng)的雙極勢場隨

3、日心距離的衰減速率變慢，亦即遠(yuǎn)處的背景場增強(qiáng)；反之，當(dāng)磁通分布向赤道方向集中時(shí)，遠(yuǎn)處的背景場減弱．在諸種分布之中，有一種特別的光球磁通分布，它所對(duì)應(yīng)的光球徑向磁場均勻，相當(dāng)于所謂分裂式磁單極子(split monopole)磁場的磁通分布．其次，假定日冕磁繩磁場為無力場，其特性用環(huán)向磁通和軸向磁通兩個(gè)磁通參數(shù)，以及磁繩軸線高度和下方垂直電流片的長度兩個(gè)幾何參數(shù)表征．對(duì)某個(gè)給定的磁繩環(huán)向磁通，通過調(diào)整磁繩的軸向磁通，計(jì)算平衡磁繩的幾何參數(shù)

4、，據(jù)此分析整個(gè)系統(tǒng)的平衡和災(zāi)變特性．結(jié)果表明：以分裂式磁單極子場的磁通分布作為基準(zhǔn)，若光球磁通分布更向赤道方向集中，或者說遠(yuǎn)處的背景場相對(duì)較弱，則日冕磁繩的幾何參數(shù)隨磁繩軸向磁通的增加連續(xù)變化，不存在災(zāi)變現(xiàn)象．與此相應(yīng)，系統(tǒng)磁能始終低于相應(yīng)的開放場能量．對(duì)這種情況下的各種給定的磁通分布，磁繩軸向磁通存在一個(gè)臨界值，在該值附近，磁繩幾何參數(shù)隨軸向磁通急劇變化，且該臨界值一旦被突破，磁繩幾何參數(shù)將趨于無限，整個(gè)雙極勢場將被完全打開．反之，若

5、相對(duì)分裂式磁單極子場的磁通分布而言，光球磁通分布更向極區(qū)方向集中，或者說遠(yuǎn)處的背景場相對(duì)增強(qiáng)，則隨著磁繩軸向磁通的增加，日冕磁繩的幾何參數(shù)會(huì)出現(xiàn)跳躍式變化，即系統(tǒng)存在災(zāi)變．系統(tǒng)在災(zāi)變點(diǎn)處的磁能稱為災(zāi)變能閾，它超過相應(yīng)的開放場能量；磁繩上方的背景場越強(qiáng)，災(zāi)變能閾越高，它超過相應(yīng)開放場能量的比例也越大．與此相應(yīng)，災(zāi)變之后磁繩的噴發(fā)速度也越快．上述結(jié)果表明，單單通過調(diào)整背景場的光球磁通分布，日冕磁繩災(zāi)變模型就可以重現(xiàn)有關(guān)CME速度分布的觀測結(jié)

6、果． 以往絕大多數(shù)日冕磁繩災(zāi)變模型采用無力場或磁靜平衡近似，未曾考慮太陽風(fēng)的物理效應(yīng)．為計(jì)入背景太陽風(fēng)對(duì)日冕磁繩系統(tǒng)的平衡和災(zāi)變特性的影響，我們假定背景場具有和偶極場同樣的光球磁通分布，但磁繩外部的背景由處于磁靜平衡態(tài)的冕流和周圍的定態(tài)太陽風(fēng)構(gòu)成．除環(huán)向磁通和軸向磁通之外，我們引入磁繩內(nèi)部日冕等離子體的質(zhì)量作為另一個(gè)參數(shù)，以反映重力的物理效應(yīng)．模擬結(jié)果表明，日冕磁繩系統(tǒng)照樣存在災(zāi)變現(xiàn)象．隨著磁繩環(huán)向磁通或軸向磁通的增加，或者磁繩

7、內(nèi)部質(zhì)量的減少，磁繩的幾何參數(shù)會(huì)出現(xiàn)跳躍式變化，即發(fā)生災(zāi)變．災(zāi)變能閩隨著磁繩內(nèi)部質(zhì)量的增加而增加，所增加的部分等于磁繩內(nèi)部物質(zhì)對(duì)應(yīng)的過剩重力勢能(等于實(shí)際勢能減去靜力學(xué)平衡狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的勢能)的絕對(duì)值．當(dāng)從災(zāi)變能閾中扣除過剩重力勢能的貢獻(xiàn)之后，其結(jié)果仍超過相應(yīng)開放場能量，超過的比例約為8％，與沒有背景太陽風(fēng)時(shí)的計(jì)算結(jié)果幾乎相同．這表明，太陽風(fēng)的存在基本不影響系統(tǒng)的災(zāi)變能閾．一旦災(zāi)變發(fā)生，背景太陽風(fēng)對(duì)災(zāi)變后的磁繩運(yùn)動(dòng)有著重要影響．與以往磁靜