太阳耀斑磁重联的观测研究

发布时间：2018-03-16 16:26

本文选题：太阳耀斑　切入点：磁重联　出处：《南京大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：太阳耀斑是太阳大气中突然增亮的现象,可在数分钟到数个小时的时间里通过高温等离子体和非热粒子等释放出高达～10~(28)-10~(33) erg的能量。一般认为,耀斑的能量来源于日冕磁场,因为其他形式的能量源难以在如此短的时间内提供耀斑所需的能量。通过所谓的'磁重联'机制,日冕磁场的拓扑结构被瞬间改变,大量预先存储于其中的磁能被转化成耀斑形式的能量。在磁重联的过程中,大量等离子体和粒子被加热和加速,产生了一系列耀斑过程中所观测到的现象。因此,对磁重联的研究是耀斑研究中最重要的课题之一。在过去的几十年内,耀斑磁重联的基本概念被提出并在一系列的耀斑研究中被逐步发展。基于早期的耀斑观测结果,一个标准的二维耀斑模型,又称CSHKP模型,被构建并用于解释耀斑的各种演化特征。但近期的一些高分辨率、多视角的耀斑观测结果显示标准耀斑模型在描述耀斑三维演化时存在一些缺点。另一方面,由于之前的耀斑观测分辨率较低,因此耀斑过程中磁重联的演化仍然不是很清楚,从而使得我们目前对耀斑的发生机制的理解还不够完善。本文将使用最新的观测数据来分析太阳耀斑中的磁重联过程的物理特性。论文的第一章将简单介绍太阳耀斑和磁重联的研究背景,以及二者之间的相互关系,并且进一步列举出耀斑磁重联领域目前存在的一些热点问题。论文的第二章将介绍观测数据来源以及观测仪器的一些特征,同时介绍本文使用的一些主要的数据处理方法包括微分辐射度分析方法(DEM)、RHESSI图像重构方法、光球磁场外推和多视角观测三维图像重构方法。在第三章中,我们对一个发生在2012年7月19日的耀斑进行了 DEM计算。我们发现在耀斑过程中最高的辐射度(EM)区域位于耀斑环顶,其EM数值为～8.4 × 10~(28) cm-5至～2.5 × 1030 cm-5。该区域等离子体温度从04:40 UT(耀斑初始相)的～8 MK一直升高到05:20 UT(耀斑X射线极大时刻)的～13 MK。我们发现在耀斑环顶的上方存在一个高温区,其中的等离子体温度最高达～16 MK。而在位于耀斑环顶和爆发磁绳之间的磁重联区中,等离子体的温度和密度要远低于其下方和上方的结构,暗示着磁重联的主要等离子体加热发生在重联区之外出流区中。最后我们还分析了沿耀斑环的等离子体分布。最高温和最高辐射度的等离子体均位于耀斑环顶区域。从环顶到足点,等离子体温度和辐射度均逐渐减小。然而,在耀斑的脉冲相阶段,通过计算沿耀斑环等离子体的温度和辐射度,我们发现在耀斑环的北侧足点处的等离子体中会出现一个向上的净力,可能由色球蒸发造成。在第四章中,我们通过分析一个发生在2012年7月17日的长持续时间耀斑进一步探讨了其中的热能释放和传输过程。在耀斑的上升相阶段,通过拟合X射线谱,我们发现在耀斑区域存在两个高温等离子体源,即一个热源(8 MKTe15MK)和一个超热源(Te20MK)。超热源先出现且位置比耀斑环顶附近的热源高,可能是由磁重联初始加热的等离子体造成。超热源中的等离子体热能会通过热传导沿耀斑环传输到足点区域,并在那里加热色球等离子体,产生耀斑带增亮和色球蒸发。分析结果显示,色球蒸发等离子体的温度约为2-5 MK,沿耀斑环向上的运动速度为～20-50 km s-1。蒸发的色球等离子体在到达耀斑环顶后被进一步加热到～10-15 MK,并为环顶热源注入了大部分的等离子体。通过定量估算,我们发现超热源中的等离子体热能仅为热源中等离子体热能的～50%,这意味着磁重联以其他形式向外传输了部分能量,这部分能量最终通过加热蒸发的等离子体在耀斑环顶沉积为热能。在第五章中,我们利用两个不同视角的卫星观测资料分析了一个耀斑事件中磁重联的演化。极紫外成像观测清晰地展示了两组磁极性相反的冕环相互靠近并发生磁重联的过程。磁重联区附近的等离子体于是从～1 MK瞬间被加热到≥5 MK。不久后,一组热耀斑环(～3 MK)出现在高温等离子体的下方。我们还定量分析了磁重联的等离子体入流、出流等观测特征。这一系列的观测揭示了在三维空间中发生耀斑磁重联的直接证据。在第六章中,我们分析了一个出现在跨赤道的大尺度四极场活动区上方的X形结构中心处的爆发活动。这一 X形结构在所有的AIA极紫外波段中清晰可见,且一直稳定存在了数天时间。由于活动区北侧的一些耀斑活动的干扰,X形结构开始变得不稳定,并于2013年10月7日的15:05 UT左右在其中心爆发出一个喷流。通过非线性无力场外推,我们在四极场活动区上方发现了一个磁零点结构,其形态正好与X形结构相一致。喷流爆发后,X形结构中心处的等离子体温度和辐射度分别从15:01 UT时刻的～2.3 MK和～1.2 × 1027 cm-5升高到15:36 UT时刻的～5.4 MK和～3.7 × 1027 cm-5,暗示着那里发生了磁重联并加热等离子体。此外,喷流爆发后,磁零点的高度升高了约10Mm,可能由于磁重联打开了部分扇面结构上的闭合磁力线,从而使得磁零点上升以寻找新的平衡点。第七章中,我们展示了由一个伴随M1.7级耀斑的日冕物质抛射所引发的磁零点附近磁重联的观测证据。GOES卫星观测到的该耀斑的X射线流量分别在2012年11月8日的～02:23 UT和～02:40 UT存在两个辐射峰值。通过成像观测分析,我们发现第一个X射线辐射峰由发生在爆发磁绳下方的电流片中的磁重联导致。而第二个X射线辐射峰值则是由原先位于磁绳上方的磁零点附近的磁重联所引发。爆发磁绳与其上方的磁零点的相互作用可以分为两步:在第一步中,当快速上升并膨胀的磁绳经过磁零点时,周围的磁力线被迅速排挤开;在第二步中,当磁绳远离后,原先被排挤开的磁力线在磁场力的作用下开始回拢并逐渐形成向磁零点的入流运动。不同极性的磁力线在磁零点附近相互接触,即导致了磁重联的发生。观测显示,在该耀斑中,磁零点附近的磁重联与发生在耀斑脉冲相阶段的电流片磁重联是两个不同的过程,后者造成了耀斑的极大辐射峰,而前者则在耀斑缓变相阶段引发了第二个辐射峰值和一个较高的尖角结构。第八章为本文的总结和未来工作的展望。
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【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P182.52

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