关于日冕物质抛射爆发机制与传播特性的数值模拟研究

发布时间：2020-08-31 12:36

　　日冕物质抛射(Coronal Mass Ejection,CME)是太阳大气及行星际空间中大尺度、剧烈爆发的活动现象,它包含了各种各样的物理机制与过程。同时,CME是灾害性空间天气的主要驱动源,当其与地球接触时,会产生剧烈的地磁扰动,影响近地空间环境。因此,CME作为联接太阳与地球的一个重要的纽带,一直以来在空间物理与空间天气学中占有重要的地位。本论文主要采用数值模拟手段,从CME在太阳表面出发,研究CME的爆发机制-灾变模型,随后进入到行星际空间,研究CME的偏转传播与形变,最后到达地球,研究CME的演化对局地参数拟合的影响。本文的工作涵盖了日地(solar-terrestrial)空间环境,形成了CME的日地因果关系链。论文的具体内容包含以下三个方面:1.CME的爆发机制-灾变模型的研究灾变模型被认为是CME的一种爆发机制。在相关的研究中,磁能一直以来被认为是灾变过程的主要供能者,在CME的爆发中占据主导作用。然而,对于大尺度的CME结构,其他形式的能量的作用也不应该被忽略。我们采用二维三分量的磁流体力学(magnetohydrodynamics,MHD)数值模拟研究日冕磁绳在太阳风背景场中的灾变问题,并关注其中不同形式能量的演化过程。我们发现当磁绳的轴向磁通或者环向磁通增加,或者质量减小时,系统均可以发生灾变,灾变后磁绳向上爆发。在发生灾变后,系统的磁能与磁绳的内能减小(对应了能量释放的过程),它们共同作用于磁绳动能与重力势能的增加,并且贡献相当。此外,我们发现减小磁绳的轴向磁通也可以触发系统的灾变。而在这样的灾变过程中,系统释放的磁能远小于磁绳释放的内能;甚至可以存系统磁能在灾变后较灾变前增加的情况。这表明了内能可以作为主要、甚至是唯一的供能者参与到灾变过程中。2.CME在行星际空间中的偏转传播基于遥感与局地仪器的间接观测,CME在行星际空间中的偏转被认为是影响CME到达地球结果的一个因素,而这也是空间天气预报中的一个重要部分。为了从统计上评估偏转对CME是否到达地球的预报的影响,我们开发了一套集成的CME自动预报系统(integrated CME-arrival forecasting system,iCAF)。该系统包含了CME自动识别,三维参数拟合及传播轨迹重构三个模块,可以全自动给出CME能否到达地球的预报。基于iCAF的测试结果,我们发现在考虑了偏转因素后,iCAF对CME的预报准确率较未考虑偏转的预报准确率提高了19个百分点,这表明了CME的偏转在空间天气预报中的重要性。然而,我们目前始终没有对CME在行星际空间中、特别是在黄道面内发生偏转的直接观测证据。为了从理论上研究该现象,我们开发了二维三分量的MHD数值模拟方法以研究CME在日球赤道面内的传播情况。基于数值模拟的结果,我们证实了CME在赤道面内存在偏转,并且该偏转与CME和背景太阳风之间的速度差有关。当CME的速度与太阳风速度相近时,CME沿径向传播而不存在偏转;当CME速度大于太阳风速度时,它会向东偏转;反之,CME向西偏转;速度差越大,CME的偏转角越大。造成这样偏转的原因是:快速(慢速)的CME在传播时,会使与太阳一同自转的行星际空间中的磁场堆积在CME的西侧(东侧),这些堆积的磁场进而推动CME向东(西)偏转;堆积的磁场强度与CME和太阳风的速度差相关。我们的模拟结果支持了CME在行星际空间偏转(CME deflection in the interplanetary space,DIPS)模型所给出的图像。同时,为了验证DIPS模型在空间天气预报中的有效性,我们将模拟中的CME速度与太阳风速度输入至DIPS模型中以预测CME的偏转角,并比较了两者的偏转结果,发现他们有较好的吻合度。我们的数值模拟为研究CME的偏转问题提供了有力的手段。3.CME的形变与局地磁云参数拟合CME的形变在空间天气研究中同样占有重要的地位。我们通过数值模拟方法研究CME在日球子午面内的形变问题。我们发现CME在传播过程中由于与背景太阳风发生相互作用,会在传播方向上逐渐变得扁平。我们研究了CME在爆发时的物理特性(对应了模拟中磁绳的轴向磁通,环向磁通和质量)对其形变的影响。我们发现当CME的质量增加,或者轴向磁通增加,又或者环向磁通减小时,CME的形变加剧(即更加扁平);而在环向磁通较大时,形变程度受参数的影响大幅减弱。在了解了CME的形变后,我们进一步研究这一现象对局地磁云参数拟合的影响。磁云是具有规则磁场的CME在局地的表现。目前,在局地的观测仅限于一维路径上的数据,我们需要借助拟合或者重构等手段反演CME在二维乃至三维空间中的信息。因此,拟合结果的好坏对正确理解磁云的特性十分重要。圆柱形的磁云模型目前是磁云拟合中常用的手段,我们测试了两种圆柱形模型(分别是线性无力场模型与磁力线均匀扭缠的非线性无力场模型)对形变的磁云的拟合,发现在拟合结果中,磁云的轴向磁通被低估,而低估的程度与形变程度有关;但是,形变对于环向磁通的拟合几乎没有影响。此外,通过比较数值模拟与拟合的结果,我们发现拟合的参数与模拟中磁云的参数可以存在较大的偏差(尽管拟合优度检验表明拟合的结果较好),而这种偏差与采用的拟合模型及飞船穿越磁云的轨迹都有关系。这些研究对正确解读实际观测数据的拟合结果有着重要意义。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：P353;P182.62
【部分图文】：

日冕物质抛射,空间天气

“有两样东西，我们越经常，越持久的加以思索，它们就越使我们的心灵充逡逑满了始终新鲜不断增长的敬畏，那就是头顶的星空和心中的道德律。”逡逑一伊曼努尔？康德《实践理性批判》逡逑日冕物质抛射（Ｃｏｒｏｎａｌ邋Ｍａｓｓ邋Ｅｊｅｃｔｉｏｎ，邋ＣＭＥ），它作为联接太阳和地球的一逡逑个重要纽带，即满足了我们对星空的幻想，又以它所带来的空间天气效应让我们逡逑始终保持敬畏。随着人类社会的进步与科技的发展，“空间天气”这一概念逐渐逡逑进入人们的视野。空间天气指的是日地空间环境（包括太阳大气，太阳风，行星逡逑际空间，磁场，电离层与热层等）在短时间内的状态（Ｐｏｐｐｅｅｔａｌ．，２００６），它与逡逑

观测结果,日冕仪,太阳活动,角宽度

们发现ＣＭＥ出现的频率与太阳活动密切相关，从太阳活动低年的约０．２次／天到逡逑太阳活动高年的约３．５次／天（Ｗｅｂｂ邋ｅｔａｌ．，１９９４）。在白光日冕仪的观测中，ＣＭＥ逡逑通常存在各种各样的形态，比如无固定形态的团状、窄的类似喷流的结构，或者逡逑是高度结构化的复杂结构。而在这些结构当中，ＣＭＥ通常具有典型的三分量结逡逑构（Ｇｏｐａｌｓｗａｍｙ，２００６），包含了亮的前沿，暗的空腔以及明亮的内核（见图１．２）。逡逑对于ＣＭＥ在日冕仪中的观测特征，我们通常用角宽度和速度来描述。根据统计逡逑的结果，人们发现：（ｌ）ＣＭＥ的平均角宽度约为５０°，而当ＣＭＥ在日冕仪视野逡逑中角宽度超过１３０°时（Ｈｕｄｓｏｎｅｔａｌ．，１９９８），人们称之为晕状（ｈａ丨0－）邋ＣＭＥ；这类逡逑ＣＭＥ通常被认为沿着日地连线方向传播（Ｈｏｗａｒｄ邋ｅｔａｌ．，１９８２），有时朝向地球，有逡逑３逡逑

观测手段,绳结,流管,磁通量

具有磁通量绳结构（ｍａｇｎｅｔｉｃ邋ｆｌｕｘ邋ｒｏｐｅ，邋Ｃｈｅｎ邋ｅｔ邋ａｌ．，２００３，１９９７；邋Ｄｅｒｅ邋ｅｔ邋ａｌ．，丨９９９；逡逑Ｆｏｒｂｅｓ，邋２０００；邋Ｖｏｕｒｌｉｄａｓ邋ｅｔ邋ａｌ．，２０１３）。因此，大部分的ＣＭＥ爆发模型均和磁绳有逡逑关。磁绳通常被描述为磁场缠绕于一中心轴的类似于流管的结构。图１．４展示了逡逑５逡逑

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