多極背景場下日冕磁繩系統(tǒng)的災變行為.pdf

1、日冕物質(zhì)拋射(CME)是大尺度的太陽活動現(xiàn)象，它引起地球空間環(huán)境的劇烈擾動，是空間災害天氣的主要源頭。對CME的觀測和理論研究，是太陽物理和日地空間物理領域十分重要的課題。盡管這些研究已經(jīng)開展了兒十年，但是由于觀測技術的限制，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的起源問題作了相應的研究，并提出了可能的CME觸發(fā)機制。 我們首先回顧了CME的觀測特征以及研究現(xiàn)狀，然后介紹了CME的理論模型，其中，重點介紹

2、了與本文的工作密切相關的日冕磁繩災變模型。隨后，介紹了我們在日冕磁繩災變研究方面取得的成果。我們采用球坐標下的2.5維MHD模型，研究了不同背景場中日冕磁繩系統(tǒng)的平衡特性和災變行為。 首先研究了八極子背景場中日冕磁繩系統(tǒng)的災變行為。背景場包含三個磁拱：兩側(cè)的磁拱完全閉合，中心磁拱為部分開放場；磁繩位于中心磁拱之中。初始時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)存在災變行為：當磁繩的環(huán)向磁通或者軸向磁通超過某一個臨

3、界值時，磁繩向上噴發(fā)，逃逸到無窮遠。對于無力場情況，我們計算了系統(tǒng)的災變能閾。我們發(fā)現(xiàn)，盡管在所有事例中，災變能閾都超過了其對應部分開放場的能量，但是災變能閾的大小與磁繩磁通和中心磁拱的開放程度有關。當中心磁拱的開放磁通給定時，系統(tǒng)的災變能閡隨著災變點處磁繩環(huán)向磁通的增加或者軸向磁通的減小而增加；當災變點處磁繩的環(huán)向磁通和軸向磁通給定時，災變能閾隨著中心磁拱開放磁通的增加而減小。這與偶極場背景下的結(jié)果不同。在偶極背景場下，系統(tǒng)的災變能閾

4、與災變點處磁繩的磁通和背景場的開放程度兒乎沒有關系。我們對兩種背景場下出現(xiàn)不同結(jié)果的原因進行了簡要分析。 其次，我們研究了八極子背景場中含有多個日冕磁繩系統(tǒng)的災變行為。背景磁場為八極子無力場，它包含三個雙極場，位于中心的雙極場部分開放。每個雙極場內(nèi)部各有一根磁繩，它們均附著于光球表面。從這個初態(tài)出發(fā)，我們通過增加任一個磁繩的環(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)的災變行為。結(jié)果表明，當任一個磁繩的環(huán)

5、向或者軸向磁通超過某個臨界值時，該磁繩將向上噴發(fā)，在其下面生成一個新的電流片。其它的磁繩的命運取決于新生電流片上是否發(fā)生磁場重聯(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，這些磁繩也會向上噴發(fā)。在此過程中，磁場重聯(lián)扮演了十分重要的角色，它引起背景磁場拓撲位形的改變，減弱了背景場對依然附著于光球的磁繩的約束，降低了相應的災變能閩，導致這些磁繩的災變式噴發(fā)。含有多個日冕磁繩系統(tǒng)的災

6、變行為表明，位于不同活動區(qū)的獨立磁通量系統(tǒng)之間的相互作用提供了一個可能的物理機制去解釋觀測到的同調(diào)事件。最后，我們研究了背景場存在新磁通浮現(xiàn)的情況下，日冕磁繩系統(tǒng)的災變行為，以此來重新考察新磁通浮現(xiàn)與CME的關系。在本研究中，我們固定磁繩的磁通不變，通過引入光球磁通浮現(xiàn)來改變背景場，從中考察日冕磁繩系統(tǒng)對磁通浮現(xiàn)的相應。初始時背景場為無力場，磁繩附著于光球表面，外部為雙極場。在光球表面的某個區(qū)域浮現(xiàn)新的磁通后，背景磁場的拓撲位形將會發(fā)生

7、改變，在新浮現(xiàn)磁通和背景磁通之間會形成電流片。我們發(fā)現(xiàn)，隨著浮現(xiàn)磁通量的增加，日冕磁繩系統(tǒng)在有些情況下會存在災變行為，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)生磁場重聯(lián)。對于浮現(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)生磁場重聯(lián)，只要新浮現(xiàn)磁通超過某個臨界值，磁繩就會向上噴發(fā)，發(fā)生災變。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，不會發(fā)生災變。當浮現(xiàn)區(qū)中心位丁赤道時，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重聯(lián)對系統(tǒng)的災變行為有著重要的影響。若不存在磁場重聯(lián)，不管浮現(xiàn)磁通的取向如何，系統(tǒng)都存在災變，只不過當浮現(xiàn)磁通與背景磁通反向時災變更容易被觸發(fā)。當新生電流片上出現(xiàn)磁場重聯(lián)時，只有當浮現(xiàn)磁通與背景磁通反向時，系統(tǒng)才會發(fā)生災變；與不出現(xiàn)重聯(lián)的情況相比，系統(tǒng)災變的觸發(fā)變得更加容易。當考慮