日冕磁绳的灾变及相关现象研究

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太阳大尺度爆发活动是日地空间活动的主要扰动源,主要包括日珥(暗条)爆发、耀斑和日冕物质抛射等现象。这些爆发活动彼此之间并非独立,它们通常被认为是同一个日冕磁绳爆发活动在不同的时间范围和空间区域内的具体表现形式。研究日冕磁绳爆发的现象和机制,对于理解这些爆发现象的物理过程,促进空间天气预报的发展有重要意义。  本文主要研究的是日冕磁绳爆发的灾变驱动机制,以及与之相关的观测现象的分析。首先,我们利用数值模拟的方法,研究了日冕磁绳系统的灾变特性,包括不同光球层磁通分布下系统灾变演化特性的差异,以及日冕磁绳系统中存在的不同类型的灾变现象等等;然后,我们研究了卫星观测到的一个典型的太阳爆发活动事件,分析了其中的动力学演化过程,以及爆发活动的驱动机制,并在此基础上,与数值模拟中的得到的磁绳的灾变演化特性进行对比分析,从而对这个爆发活动的演化过程给出一个系统完整的描述;此外,我们还研究了太阳爆发活动所驱动的波和振动现象,利用振动参数,估算局地物理参数并分析波的相关物理性质。  1.日冕磁绳系统的灾变特性  在现有的观测条件下,日冕中的磁场位形无法直接测量,只有光球层的磁通分布可以直接观测到。因此我们尝试利用数值模拟,研究光球层磁场条件与日冕磁绳系统灾变特性之间的关系,以期能够为太阳爆发活动的预报工作给出理论上的依据。通过计算发现,系统的向上灾变特性与光球层磁通分布有着密切的联系:如果光球层活动区的正负极性靠得过近,或是正负极性对应的源区过弱,都会造成磁绳系统中不会发生向上灾变,即在这种光球层磁通分布下,磁绳系统不会爆发。我们对部分开放场和全闭合背景场的情况都进行了计算分析,发现磁绳系统均满足类似的结论,这表明背景场的开放性不是决定系统是否存在灾变的唯一因素,任何会改变背景场位形的参数都有可能影响系统的灾变特性。同时,通过详细分析有灾变的情况,我们还发现灾变演化过程的激烈程度同样受光球层磁场条件的影响:正负极性距离越大,源区越强,系统的演化过程越激烈,即磁绳系统的活动性越强。  在以往的研究中,分析的都是向上灾变的演化过程。通过数值模拟计算,我们发现,除了以往被广泛研究的向上灾变以外,日冕磁绳系统中还存在一个磁绳向下运动的灾变,被称为向下灾变。向下灾变的过程中,即使系统中不存在磁场重联,磁能同样会被释放。在这种情况下,系统主要通过洛伦兹力的做功来释放磁能,且其量级与太阳爆发事件释放能量的典型值相当。因此,洛伦兹力在灾变中起到了重要的作用。在此基础上,我们进一步研究了光球层磁通分布对向下灾变的影响,结果发现了类似的结果:只有当磁通分布满足特定条件,系统中才会发生向下灾变。值得注意的是,在研究中发现,向上灾变和向下灾变总是伴随出现,即系统存在向上灾变或是向下灾变时,需要满足光球层磁通分布相同。  2.通量注入过程引起爆发活动现象的观测分析  通过对一个爆发日珥事件的观测分析,我们发现在日珥爆发之前的两天时间内,发生了至少三次通量注入过程:来自色球层的纤维状物质上浮,与上方的日珥相互作用并最终融合在一起。这种通量注入过程会通过色球纤维结构向日珥中注入磁通量,从而引起日珥缓慢抬升速度的明显增加,并最终爆发形成日冕物质抛射。通过分析外部磁场随高度的衰减,我们发现正是由于通量注入过程,使得日珥上升到外部磁场衰减足够快的高度,于是系统发生了torus不稳定性从而导致了日珥的爆发。因此,通量注入过程就是这个日珥爆发事件的驱动原因。  通过与数值模拟中得到的日冕磁绳系统灾变演化特性的对比分析,我们发现,正是通量注入过程不断的将磁通量注入了日珥所在的磁绳系统,使得系统逐渐演化到所对应的灾变点,于是系统失衡产生灾变。由于灾变点恰好就是torus不稳定性发生的临界状态,因此灾变的具体演化过程表现为torus不稳定性。  3.太阳爆发活动产生的波和振动现象的分析  太阳的爆发活动还会引起许多其他的观测现象。我们研究了一个大尺度EUV波事件,它是由一个耀斑产生的日冕物质抛射所驱动的。EUV波在传播的过程中,与传播路径上的冕环和日珥相互作用,驱动冕环和日珥开始振动。通过分析观测数据,我们得到了冕环和日珥的相关物理参数。利用这些参数,我们估算了太阳表面振动结构所处区域的局地物理参数。同时,结合冕环和日珥的空间位置信息,我们还估算了EUV波的传播高度以及波的总能量。
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