太阳磁通量绳形成与演化过程的研究

发布时间：2020-04-28 08:57

【摘要】：磁通量绳是一种基本磁化等离子体结构,表现为一组磁力线绕其中心轴扭缠。它的尺度横跨十几个数量级,在实验室等离子体装置、地球磁层、太阳大气、行星际空间、甚至星系宇宙均有相关研究。在太阳大气中,磁通量绳通常被认为与大尺度爆发活动有关。太阳大尺度爆发活动包括暗条爆发、耀斑、日冕物质抛射等等。这些爆发活动对地球空间环境有重要影响,是灾害性空间天气的驱动源。研究太阳磁通量绳的形成与演化过程,对深入理解太阳大尺度爆发活动的产生机制,提高灾害性空间预报有重要意义。同时太阳磁通量绳形成与演化过程的研究结果可为太阳系外天体的相关研究提供参考。目前的研究已经证实爆发后确实存在一个磁通量绳,且起源于太阳。但是磁通量绳是怎么形成的,形成之后会如何演化,在爆发前是否存在磁通量绳等问题到现在还没有完全解决。通过分析目前高分辨率太阳成像望远镜和行星际局地探测卫星的数据,运用与发展最新的图像识别技术,并借助国际上先进的重构方法、磁场外推方法与数据驱动模拟方法,我们可以对太阳磁通量绳形成与演化过程进行深入的研究。在本文中,我们首先分析了三个代表性的磁通量绳形成与演化事件,揭露了磁通量绳的内部结构,讨论了磁重联对磁通量绳形成与演化的作用与影响,给出了磁通量绳爆发的条件。之后,我们从磁通量绳的足点出发,统计研究了光球层演化与磁通量绳形成的关系。文章的具体内容如下:爆发前磁通量绳如何演化到临界爆发条件是研究爆发机制的一个关键问题。结合SDO与STEREO多角度观测,我们发现一个磁通量绳在经历了长达5个小时的缓慢膨胀后突然爆发。这种长时间多角度的观测数据,使得我们可以详细地分析磁通量绳爆发前的演化过程。进一步的分析发现磁通量绳的足点位于光球层强电流区域。因此我们可以利用光球层磁场数据直接估算出爆发之前磁通量绳的扭缠圈数T。研究结果表明,在这5个小时的准静态演化过程中,磁通量绳的平均扭缠增长了1圈左右。之后,我们详细地探讨了磁重联和光球层演化对这种增长过程的作用。我们发现爆发前这5个小时的准静态演化很可能与磁重联相关,而之后的爆发过程更可能是由torus不稳定性触发。磁通量绳的非爆发性演化过程也同样值得关注。最近的研究工作发现日珥暗腔系统会出现类龙卷风运动,而这种运动引起了广泛的关注。一般的解释是,当日珥物质沿着暗腔的螺旋磁场运动时,会表现为这样的旋转运动。而我们观测到与以往不同的大尺度龙卷风演化,即大尺度日珥的整体旋转运动。我们的分析发现这种现象可能对应磁通量绳的一种非爆发性演化过程。通过对SDO多个波段观测数据的分析与光球层磁场外推分析,我们发现这种类似龙卷风的整体旋转运动很有可能是由kink不稳定性驱动的。这个过程与之前暗条失败的爆发事件类似。日珥首先扭曲上升,之后与周围磁场重联,出现亮的垂直纤维结构,而后这些纤维结构快速旋转,大部分日珥物质随着这些亮纤维结构回落到日珥通道之外的区域。随后日珥结构整体瓦解,剩余的物质会沿螺旋形磁力线回到原有的通道中。尽管在地球附近的局地测量结果证实爆发之后存在磁通量绳结构,但是爆发之前是否存在磁通量绳仍旧存在争议。我们观测到一种新型的双带耀斑演化过程:在耀斑双带的最远端,出现由亮点扩散为不规则亮环的过程。而亮环包围了一对共轭暗化区域,被认证为磁通量绳的足点。这一演化过程表明,磁通量绳主体是在爆发过程中通过磁重联形成的,亮环为磁通量绳边界准分界层的'足迹'。根据理论模型,磁通量绳的环向磁通Φp可以通过双带耀斑扫过面积来估算;而轴向磁通Φt则由其足点区域计算。这两个量的比值可以用来估算磁通量绳平均扭缠圈数,同时△Φp/△Φt的时间变化表征了扭缠空间分布情况。我们发现磁通量绳核心高度扭缠,由内向外扭缠度下降,这种非均匀扭缠分布与近地卫星的局地观测重构结果一致。而我们观测进一步给出这种非均匀扭缠分布与磁重联率相关。现有的模型无法解释这种由磁重联导致的非均匀扭缠分布。我们通过详细分析磁通量绳足点的演化过程,发现磁通量绳与周围磁场的重联对光球层磁场也有显著影响。在爆发过程中,足点边界的亮带分别先后两次扫过足点与黑子半影重合的区域,表明有两种不同的重联过程发生在该区域。在第一阶段的重联过程中,原本沿黑子磁力线向上传播的本影波在重合区域消失,同时该区域的光球层纵场和横场突然同步减小,表明剪切磁场转换成扭缠磁场。而在第二阶段的重联过程中,本影波恢复在重合区域的传播,同时该区域的光球层纵场和横场快速增加,表明扭缠磁场消失,磁通量绳在上升过程中与外部磁场重联,导致重合区域的扭缠磁场逐步转换成其他磁场结构。光球层演化是否与磁通量绳形成有直接关系?而光球层强电流区域通常表征光球层各类演化过程。为了研究这个问题,我们从磁通量绳足点出发,统计研究了足点与光球层强电流的关系。我们选取了 10个与强电流相关的活动区,并分为三类,一类只有黑子旋转运动,一类只有中性线附近的强剪切运动,最后一类是两者均有。我们分析了这些活动区产生的12个爆发事件,每个事件都有对应的CME,也观测到了与磁通量绳相关的结构。所有的事件都观测到明显的共轭暗化现象,我们以此确定了所有事件的磁通量绳足点。统计结果表明,大部分事件中磁通量绳的足点都在强电流区域。此外,我们发现有一半的事件,其足点的暗化现象出现在爆发之前。而这些事件的一个足点都与旋转的黑子相关。
【图文】：

整体结构,太阳内部,大气层,色球层

分是氢（Ｈ）和氦（Ｈｅ），其他元素包括碳（Ｃ）、氧（０）、氮（Ｎ）和各种金属，占比不到逡逑２％。尽管太阳的内部无法被直接观测到，我们可以通过日震学（ｈｅｌｉｏｓｅｉｓｍｏｌｏｇｙ）逡逑的方法，推断出其内部结构，如图１．１。太阳的内部结构包括内核（ｃｏｒｅ）、福射区逡逑（ｒａｄｉａｔｉｖｅ邋ｚｏｎｅ），，以及对流区（ｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ邋ｚｏｎｅ）。热核反应发生在太阳的内核，产逡逑生大量的能量，并通过福射（ｒａｄｉａｔｉｏｎ）的形式向外传输。福射出的光子在福射区逡逑被反复吸收发射，经过漫长的时间才能逃离该区域。相反，在对流区，辐射能量逡逑会以对流的形式传到太阳大气层。而光子在大气层中可以自由穿梭，使得太阳大逡逑气层可以被我们直接观测到。太阳大气层有多层结构，包括光球层（ｐｈｏｔｏｓｐｈｅｒｅ）、逡逑色球层（ｃｈｒｏｍｏｓｐｈｅｒｅ）、过渡区（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ邋ｒｅｇｉｏｎ）和日晃（ｃｏｒｏｎａ）。光球层的厚度逡逑虽然只有大约５００邋ｋｍ，但是其物质稠密，大部分太阳辐射来自这里，在近极紫逡逑光（ｎｅａｒ－ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）、可见光和近红外光（ｎｅａｒ－ｉｎｆｒａｒｅｄ）波段可见。而色球层，物逡逑质比光球层稀少

太阳磁通量绳形成与演化过程的研究

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【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P182

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