光球磁通分布和背景太陽風對日冕磁繩災變的影響研究.pdf

1、日冕物質拋射(CME)屬于大尺度太陽活動現(xiàn)象，它能造成地球空間環(huán)境的劇烈擾動，是空間災害天氣的主要源頭．對CME的觀測和理論研究，是太陽物理和日地空間物理領域非?；钴S的前沿課題．近年來，作為CME的重要觸發(fā)機制之一的日冕磁繩災變，引起了學術界的普遍關注．本文將在前人相關工作的基礎上，從一個新的側面就這一問題開展數(shù)值模擬研究． 在簡單回顧CME的觀測特征和研究現(xiàn)狀之后，本文著重總結CME理論模型研究的最新進展，其中特別是與本文相關

2、的日冕磁繩災變模型研究．在此基礎上，介紹我們在日冕磁繩災變模型方面取得的研究成果． 本文采用球坐標下的2.5維理想磁力體力學模型，構建由背景磁場和孤立磁繩構成的平衡系統(tǒng)，在此基礎上分別研究背景場的光球磁通分布和背景太陽風對日冕磁繩系統(tǒng)平衡特性和災變行為的影響． 為分析光球磁通分布對日冕磁繩災變的物理效應，我們首先假定背景磁場為雙極勢場，且按一定的方式對其光球磁通分布進行調(diào)整．當磁通分布向極區(qū)方向集中時，所對應的雙極勢場隨

3、日心距離的衰減速率變慢，亦即遠處的背景場增強；反之，當磁通分布向赤道方向集中時，遠處的背景場減弱．在諸種分布之中，有一種特別的光球磁通分布，它所對應的光球徑向磁場均勻，相當于所謂分裂式磁單極子(split monopole)磁場的磁通分布．其次，假定日冕磁繩磁場為無力場，其特性用環(huán)向磁通和軸向磁通兩個磁通參數(shù)，以及磁繩軸線高度和下方垂直電流片的長度兩個幾何參數(shù)表征．對某個給定的磁繩環(huán)向磁通，通過調(diào)整磁繩的軸向磁通，計算平衡磁繩的幾何參數(shù)

4、，據(jù)此分析整個系統(tǒng)的平衡和災變特性．結果表明：以分裂式磁單極子場的磁通分布作為基準，若光球磁通分布更向赤道方向集中，或者說遠處的背景場相對較弱，則日冕磁繩的幾何參數(shù)隨磁繩軸向磁通的增加連續(xù)變化，不存在災變現(xiàn)象．與此相應，系統(tǒng)磁能始終低于相應的開放場能量．對這種情況下的各種給定的磁通分布，磁繩軸向磁通存在一個臨界值，在該值附近，磁繩幾何參數(shù)隨軸向磁通急劇變化，且該臨界值一旦被突破，磁繩幾何參數(shù)將趨于無限，整個雙極勢場將被完全打開．反之，若

5、相對分裂式磁單極子場的磁通分布而言，光球磁通分布更向極區(qū)方向集中，或者說遠處的背景場相對增強，則隨著磁繩軸向磁通的增加，日冕磁繩的幾何參數(shù)會出現(xiàn)跳躍式變化，即系統(tǒng)存在災變．系統(tǒng)在災變點處的磁能稱為災變能閾，它超過相應的開放場能量；磁繩上方的背景場越強，災變能閾越高，它超過相應開放場能量的比例也越大．與此相應，災變之后磁繩的噴發(fā)速度也越快．上述結果表明，單單通過調(diào)整背景場的光球磁通分布，日冕磁繩災變模型就可以重現(xiàn)有關CME速度分布的觀測結

6、果． 以往絕大多數(shù)日冕磁繩災變模型采用無力場或磁靜平衡近似，未曾考慮太陽風的物理效應．為計入背景太陽風對日冕磁繩系統(tǒng)的平衡和災變特性的影響，我們假定背景場具有和偶極場同樣的光球磁通分布，但磁繩外部的背景由處于磁靜平衡態(tài)的冕流和周圍的定態(tài)太陽風構成．除環(huán)向磁通和軸向磁通之外，我們引入磁繩內(nèi)部日冕等離子體的質量作為另一個參數(shù)，以反映重力的物理效應．模擬結果表明，日冕磁繩系統(tǒng)照樣存在災變現(xiàn)象．隨著磁繩環(huán)向磁通或軸向磁通的增加，或者磁繩

7、內(nèi)部質量的減少，磁繩的幾何參數(shù)會出現(xiàn)跳躍式變化，即發(fā)生災變．災變能閩隨著磁繩內(nèi)部質量的增加而增加，所增加的部分等于磁繩內(nèi)部物質對應的過剩重力勢能(等于實際勢能減去靜力學平衡狀態(tài)所對應的勢能)的絕對值．當從災變能閾中扣除過剩重力勢能的貢獻之后，其結果仍超過相應開放場能量，超過的比例約為8％，與沒有背景太陽風時的計算結果幾乎相同．這表明，太陽風的存在基本不影響系統(tǒng)的災變能閾．一旦災變發(fā)生，背景太陽風對災變后的磁繩運動有著重要影響．與以往磁靜