太阳大气中等离子体动态过程的研究分析

发布时间：2020-09-16 08:53

　　太阳不仅是离我们最近的一颗恒星,同时也是唯一一颗可供我们近距离观测的恒星。其为我们了解恒星演化规律以及极端空间条件下磁化等离子体行为提供了大量的观测资料。与众多天体类似,太阳的外面也被一层大气所包围。观测表明太阳大气并不是稳定不变的,而是处在一个高度变化的状态,时时刻刻都发生着各种活动现象。发生在太阳大气中的这些活动现象不仅与空间天气密切相关,同时也深刻影响着我们的地磁场以及气候变化。因此对太阳大气的研究一直是太阳物理中的一个热点。太阳大气中存在着各种尺度各种时标的活动现象。这些活动现象主要包括各种波动、物质流以及快速能量释放过程,它们本质上都是太阳大气中磁化等离子体的动态过程。通常我们所观测到的太阳活动事件均由多种动态过程组合而成。要真正理解太阳大气的物理特性及其演化规律,毫无疑问需要我们对这些动态过程有深入的了解。然而由于观测手段和技术水平的不足,以及太阳大气本身复杂的结构特性,使得太阳大气中的各种动态过程一直难以被很好理解。更加详细和深入的了解这些发生在太阳大气中的动态过程,需要观测和理论两方面的努力。本文基于最新的空间和地面观测对太阳大气中普遍存在的几种动态过程进行了研究和分析。首先我们对冕环中的快模kink振荡进行了观测分析,首次发现相邻冕环中存在明显不同的振荡,进一步分析则表明这种现象可能是由不同谐波主导。观测结果也表明同一冕环中不同谐波的空间分布也不相同。这些结果都说明尽管具有相邻的位置关系,相邻冕环间物理特性的差异依然足以产生明显不同的振荡。此外对于同一冕环不同位置振荡的研究则表明同一冕环不同位置的振荡也可以有完全不同的表现,这种现象是由偏的耀斑源激发,其中远离耀斑源的一侧呈现振幅增长的相,而靠近耀斑源一侧则呈现类似衰减的相,我们称之为冕环的不对称振荡。由于观测到的冕环本身及其背景环境都有着比较对称的结构,我们认为这样的不对称振荡现象可能是由于偏的激发源产生的不对称激发所造成。对此我们提出一种可能的不对称冕环振荡模型,模型利用偏耀斑源对冕环不同位置的冲击有着不同的法向分量,从而对冕环产生不对称激发,导致远离耀斑源的一侧在激发时获得了更高的能量,形成一个不对称的冕环振荡。这种不对称振荡拥有不平衡的能量分布,在后期演化过程中不平衡的能量在冕环中来回流动造成了观测到的不对称冕环振荡现象。依据现有的观测结果,我们也在波动理论方面进行了一定的研究。在这方面本文主要对同激发情况下冕环快模kink振荡与其物理特性之间的关系、密度演化导致的冕环振荡频率漂移、以及非均匀介质中的行波解做了理论分析。最终得到了相邻冕环中快模kink振荡对冕环物理特性的依赖关系,这为我们进一步利用相邻冕环中的不同振荡来反演其物理差异提供了理论基础。同时也得到了冕环密度变化对其快模kink振荡频率的影响,为利用冕环振荡中的频率漂移来修正因密度变化造成的振幅变化提供了依据。而在非均匀介质的行波解方面,我们分析弹性波在非均匀介质的传播特性,介绍了几种特殊条件下的解析解,探索了离散化介质模型,为进一步了解和利用太阳大气中的各种行波提供了参考。基于抚仙湖太阳观测站一米新真空望远镜的数据,我们也对宁静日珥中的物质流进行了观测分析。从中我们发现一个非均匀的宁静日珥,其中的物质流也有着截然不同的表现,在日珥的中部和腿部分别由循环物质流和下降流所主导,而两个部分之间则存在较为稳定的分界面。对日珥中部物质流的详细分析表明日珥在该物质流通过期间有轻微的形变。而对日珥的辐射和磁拓扑结构的分析则表明日珥中不同物质流可能是由于日珥中部和腿部不同磁场结构及物理特性导致。该研究显示日珥中的物质流本身携带了丰富的物理信息,这可能为我们进一步研究日珥的内部结构及动态平衡提供新的线索。太阳大气中的扰动在不同的物理条件下会有不同的表现,在稳定介质中其主要以波动形式存在,而在不稳定介质中就可能引发剧烈的能量释放过程。作为扰动演化的另一个解,太阳大气中的快速能量释放过程则更加的璀璨夺目。这里我们对失败爆发暗条中的快速能量释放过程做了详细的分析。从分析中我们得到了暗条爆发在其限制拱中激发二次能量释放过程的明显证据。此外我们也对这些能量释放过程做了定量的分析,结果表明我们所研究的失败暗条爆发事件中的能量释放过程与成功暗条爆发有着明显差异。大量的特征都非常符合链式泰勒耗散(Taylor relaxation)过程。该研究清楚地表明失败暗条爆发中可以存在多种能量释放过程,同时也丰富了我们对失败暗条爆发的认识。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院云南天文台)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：P182
【部分图文】：

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第一章引言任何一门学科都是一个系统的工程，需要各方面的知识。太阳物理也一样，在正式开始展示我们所做的内容之前，这里我们首先做了一个小小的引子，用于简单介绍一下太阳物理及其面临的基本问题。1.1 太阳简介作为同我们关系最为紧密的恒星，太阳一直影响着我们生活的方方面面。为了使大家对太阳有一个基本了解，下面我将从其恒星属性，太阳系中心天体属性以及日地关系三个方面讲述太阳这颗离我们遥远而又古老的恒星。1.1.1 恒星太阳

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巨星分支阶段。当其内部的氦核也燃烧结束后，小质量的恒星将不再启动更重元素的核反应，从而逐渐冷却，最终以一颗白矮星的形式结束其全部的恒星生涯。上述整个演化过程如图1.1所示，而其在赫罗图上的轨迹则如图1.2所示[1]。图 1.2: 一个太阳质量恒星在赫罗图上的演化轨迹[1]2

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其拥有整个太阳系约99.86% 的质量，同时也是整个太阳系主要的引力源。如图1.3所示，我们太阳系几大天体都在围绕太阳的轨道上运动。正是由于太阳的存在才使得太阳系的众多天体在现在的轨道上有序的运行。根据开普勒第三定律我们可知行星绕太阳运行周期与其本身质量无关，与其半长轴长度成正比。据此我们可以得出以地球为标准不同轨道的行星周期如表1.1所示，表中我们可以看出半长轴越长的轨道，则拥有越长的周期。作为太阳系的中心天体，太阳不仅为各大行星提供引力，同样无时无刻的向外辐射着能量。太阳大气基本上处于热平衡状态，因此可视为标准黑体，它的辐射满足黑体辐射定律[1,2]I(ν, T ) =2hν3c31ehν/kT 1(1.1)1http://a2.att.hudong.com/36/17/14300000637152127348176083514.jpg3

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