太阳爆发事件和日冕加热中磁拓扑的研究

发布时间：2020-06-25 03:48

【摘要】：太阳大气中的等离子体与磁场是高度耦合的,磁场在日冕的加热和动力学过程中扮演了至关重要的作用。观测也显示对地球和空间环境具有重要影响的太阳爆发事件都源自日冕的磁活动。因此对日冕磁场的研究是理解太阳活动、日冕加热机制和开展空间天气预报的一个重要基础。随着现代空间和地面仪器的发展,我们可以以准确度和高时空分辨率来测量太阳光球层的磁场。然而,对日冕磁场的直接测量仍然存在着很大的难度,通常的方法是利用光球的观测数据和适当的磁场模型(如无力场模型)来重构出日冕的三维磁场。据此,我们可以对日冕磁场进行详细的分析,结合磁拓扑理论,研究日冕的磁流体动力学过程。在本论文中,我们利用太阳动力学天文台、日出卫星和拉马第高能太阳光谱成像仪获得的多波段观测资料,运用日冕磁场重构技术和磁拓扑分析方法,对磁场在太阳爆发事件和日冕加热机制等方面所起到的关键作用进行了深入的研究。日冕磁场的连接性将日冕划分成不同的磁拓扑区域。磁拓扑区域的边界(如分界层)是一些非理想过程(如磁重联)发生的场所。磁拓扑的边界在形态上通常与一部分紫外波段的辐射特征相符合,例如在耀斑过程中低层辐射展示的耀斑带对应磁拓扑边界在色球的映射。为了研究磁拓扑结构与太阳爆发事件的相关性,我们对发生于2012年10月23日的X级环形耀斑进行了详细的分析。该耀斑在Ca Ⅱ H谱线的辐射中展示出一个准环形的耀斑带,并且在其内外还存在另外两条狭长的耀斑带。极紫外成像观测显示一个热通道结构,说明此耀斑过程中有磁绳结构存在。此外,热通道的两个足点正好对应两个硬X射线源。利用非线性无力场模型,我们对该活动区进行了日冕三维磁场的重构,并证认出三个磁拓扑结构:一个三维磁零点、一个磁绳结构和一个大尺度准分界层结构。我们发现磁零点包含在大尺度准分界层中,而磁绳结构位于磁零点的扇面之下,并且硬X射线辐射起源于磁绳与周边磁场之间的磁重联。以上三个磁拓扑结构的动力学演化与相互作用导致了该耀斑的爆发以及在爆发过程中所展示出的多波段辐射特征。由于大多数爆发性事件的源区都存在高度剪切的磁拱或者磁绳结构,定量研究这种结构的拓扑性质和时间演化对于理解太阳爆发活动是十分重要的。为此,我们跟踪了太阳活动区12017从2014年3月28日至29日共两天的演化,并通过非线性无力场模型重构了该区域的日冕三维磁场。在两天的时间内,该区域内的暗条活动触发了 12个太阳耀斑,包括9个C级耀斑,2个M级耀斑和1个X级耀斑。在日冕磁场中我们证认了一个磁绳结构,并发现它与暗条在空间和形态上是对应的。我们利用准分界层来定义磁绳的边界,提取出了磁绳自身的空间区域以及其内部的磁场分布。对比耀斑前后的磁绳结构,我们发现闭合性的准分界层(磁绳的包络)所勾勒出来的区域在耀斑发生后有明显的减小。我们还计算了磁绳结构的缠绕数和相对磁螺度,并且发现该活动区大多数耀斑的发生都是由扭曲不稳定性引起的。进一步研究表明,不同特征参数对耀斑的响应是不同的,相对来说磁绳缠绕数的敏感性要高于其他参数(如磁螺度)。除了太阳爆发事件,日冕加热是太阳物理中另一个未解决的重要问题,即日冕等离子体是通过何种方式被加热到百万度的高温。目前已经提出了几种加热机制,比较流行的有阿尔芬波加热和磁重联(纳耀斑)加热。二者在理论上都可以提供日冕加热所需要的能量,但是在一般的情况下,二者都缺乏利用观测数据进行反馈的定量模型。我们基于磁重联加热机制发展了一个利用磁场的观测数据进行约束的日冕结构模型。该模型给出了与极紫外波段观测相符合的辐射特征。在理想等离子体(无磁重联)中,磁场与等离子体冻结在一起,磁力线的足点与周围的等离子体以相同的速度运动。但实际上,由于磁场的耗散(磁重联)磁力线足点和等离子体之间的速度有偏差,这个偏差称之为非理想速度,它与磁重联速率成正比。基于上述物理图像,我们首先从观测到的时间序列的磁图推导了非理想速度的分布以及对应的加热函数,然后基于流体静力学平衡假设推导日冕磁环的热力学结构。该模型不依赖于反常电阻率的假设,一个重要参数是重联磁流管横截面的尺度。该尺度参数可通过模型结果与观测的对比,结合高分辨率的观测资料而得到限制,大约是160 km左右。对比模型生成的和实际观测的极紫外图像,我们发现两者不但在定性上(冕环的形态)而且在定量上(极紫外辐射强度的直方分布)都符合得很好。此外,模型给出的微分发射度与多波段观测反演出的微分发射度具有相似的轮廓。由此可见,我们的研究证实了磁重联加热(纳耀斑)机制可以提供日冕加热所需的能量,并且能够维持一个与观测相符合的活动区日冕结构。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P182
【图文】：

太阳内部,温度轮廓,太阳,层次结构

第一章引言逡逑太阳是离我们最近的恒星，距离地球约为１．５邋ｘ邋１０８邋ｋｍ，其直径约为１．３９邋ｘ邋１０６逡逑ｋｍ，为地球直径的１０９倍。太阳的质量约为２．０邋ｘ邋１０３Ｃ）邋ｋｇ，占据太阳系总质量逡逑的９９．８６％。太阳的能量来自其核心区域的核聚变反应，每秒释放约３．８７邋ｘ邋１０２６逡逑焦耳的能量，核心区域的温度约为１．５７邋ｘｌ０７Ｋ，密度约为丨５０邋ｇ邋ｃｍ＿３，该区域逡逑■直延伸到０．２－０．２５个太阳半径左右。核心区域外的辐射区（ｒａｄｉａｔｉｖｅ邋ｚｏｎｅ）延逡逑

耀斑,手绘图,太阳黑子,位置

的增亮位置，五分钟后增亮位置分别移动至Ｃ和Ｄ。逡逑到了人类记录中的第一个也是到目前为止观测到的最具威力的太阳耀斑［１６１，如逡逑今我们一般将其命名为卡林顿耀斑（图１．３）。卡林顿注意到了十八小时后发生的逡逑地磁暴，并敏锐地指出二者之间可能存在关联。很不幸的是，这种关联被开尔文逡逑勋爵（Ｌｏｒｄ邋Ｋｅｌｖｉｎ）的计算所否决［８Ｌ然而开尔文勋爵的理论是建立在一个错误逡逑的基础上，即，太阳与地球之间是绝对的真空。这一假设直到１９５８年才被３１岁逡逑的尤金？纽曼？帕克（Ｅｕｇｅｎｅ邋Ｎｅｗｍａｎ邋Ｐａｒｋｅｒ）质疑，他提出的太阳风理论指出逡逑炙热的日冕是无法静止的，太阳风会将物质不断地吹到太阳系的各个角落［１７，｜８］。逡逑该理论很快就被苏联的空间探测卫星月球一号（Ｌｕｎａ邋１）的测量结果所证实［叫，逡逑自此，我们对太阳活动的认识也发生了巨大的变化。尽管在耀斑中的太阳辐射逡逑总能量的变化不到１％，所释放的能量却足以改变地球附近的空间环境，甚至地逡逑面设备也会受到影响。例如

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