本文關鍵詞：太陽大氣三維磁場結構及相關活動現象的研究　出處：《南京大學》2011年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：太陽大氣由高度磁化的等離子體組成,磁場對理解太陽大氣中的各種活動現象(比如耀斑、暗條、日珥以及日冕物質拋射)起著至關重要的作用。近幾年來發(fā)展的一系列非線性無力場外推的方法以及由先進的光譜偏振計得到的矢量磁場為太陽磁場本身以及相關的活動現象研究提供了一個全新的視角。本論文針對太陽活動區(qū)及活動現象進行了深入的觀測和無力場建模研究。首先,我們對偏振觀測及磁場反演的有效性進行了探討。其次,我們對活動區(qū)和暗條的三維磁場結構進行了詳細的分析。我們系統(tǒng)地闡述了偏振光譜的觀測、從斯托克斯參數到磁場的反演、矢量磁場的分析和太陽三維磁場的外推,在此基礎上進一步分析了耀斑、暗條以及日冕物質拋射等活動現象的機制及其相互聯系,得到了如下所述的新的結果。 我們使用基于米爾恩-愛丁頓(Milne-Eddington)太陽大氣模型的兩個磁場反演程序構造和比較了兩個光譜偏振計得到的矢量磁圖,其中一個是地面望遠鏡THEMIS上的多譜線偏振光譜儀(MTR),另外一個是空間望遠鏡日出(Hinode)衛(wèi)星上的光學望遠鏡分光偏振計(SOT/SP)。為此,我們分析了2008年5月23日NOAA10996活動區(qū)內一個光斑區(qū)域的觀測。就磁場強度、方位角以及磁場傾角的分布而言,我們發(fā)現不同的磁場反演程序和儀器觀測給出的結果是一致的。因為日出衛(wèi)星的分光偏振計不受視寧度問題的影響,我們能夠分辨出具有1“到2”尺寸的磁極,并且能夠探測到在負極和正極區(qū)域分別匯聚和散開的水平磁場。這些發(fā)現支持光斑是由小的磁流管束組成的。我們提出了一個新的方法來得到多條譜線的相對形成高度,并且發(fā)現FeⅠ6302.5?譜線比FeⅠ5250.2?譜線形成在更高的大氣高度。 我們研究了2006年12月13日雙帶耀斑的三維磁場位形,特別是使用優(yōu)化的方法來構造非線性無力場模型。外推所需的高空間分辨率的NOAA10930活動區(qū)的光球矢量磁場觀測由日出衛(wèi)星上的分光偏振計得到。磁場的拓撲結構可以描述為一個高度剪切的核區(qū)磁場加上一個接近勢場的包層拱狀磁場。核區(qū)磁場清楚地顯示出一些用來支撐暗條的磁凹陷結構。由非線性無力場所包含的能量減去對應的勢場能量,計算出的耀斑釋放的自由能大約是2.4×1031爾格,這個能量大約是耀斑前勢場能量的2%。我們還計算了剪切角,即非線性無力場和勢場的夾角。我們發(fā)現耀斑后剪切角在低層大氣的某些位置變得更大,而在大部分的位置它們明顯變小,這表明整個磁場位形在耀斑后變得更接近勢場。太陽光學望遠鏡的寬帶濾光成像儀(BFI)得到的Ca II H譜線圖像和紫外的1600A圖像顯示耀斑前的加熱主要發(fā)生在核區(qū)磁場。這些結果提供了支持太陽耀斑韁繩斷裂(tether-cutting)模型的證據。我們還使用日出衛(wèi)星上的極紫外成像分光計(EIS)觀測研究了活動區(qū)內極紫外譜線的形成高度。在使用雙高斯擬合解決了He II 256.32 A和Si x 256.37 A譜線的混合問題之后,通過比較日面上的多普勒分布和磁場分布,我們發(fā)現過渡區(qū)在強磁場的區(qū)域會升高,在耀斑前加熱的區(qū)域可能存在多種溫度的環(huán)結構。 使用非線性無力場外推的方法,我們還研究了NOAA10767活動區(qū)暗條的磁場位形。光球的矢量磁場通過THEMIS的多譜線偏振光譜儀在2005年5月27日觀測得到。我們提出了一個新的去除橫場180°不確定性的方法。通過使觀測矢量磁場的總磁力和總力矩最小化來對觀測數據進行預處理,這一步為非線性無力場模型提供了一致的底邊界條件。然后,我們使用優(yōu)化的方法計算了日冕的磁場,從而找到了一個沿著磁場極性反轉線的磁通量繩。這個磁通量繩和一個Hα暗條的一部分在空間上對應得非常好,而整個磁凹陷的分布則對應了整個Hα暗條。這意味著這個暗條磁場結構的一部分是磁繩,而另外一部分是剪切的磁拱。磁拱在負螺度的磁場里誘生了一個左生的暗條,這和一個磁繩在相同螺度的磁場里誘生的暗條分叉的手性是相反的。暗條中心的磁場強度大約是700高斯。在同一個活動區(qū)里發(fā)生了一個M1.1級的耀斑。磁繩或者說暗條爆發(fā)的紫外觀測顯示出爆發(fā)結構有一個很強的扭曲運動,這表明在爆發(fā)過程中磁繩把它的部分纏繞轉化成了磁繩中心軸的扭曲。在計算了爆發(fā)前磁繩的纏繞數以后,我們發(fā)現它和一些數值模擬得到的螺旋扭曲不穩(wěn)定性(helical kink instability)的臨界值符合得非常好。我們推斷出磁繩的激活和初始階段的上升由扭曲不穩(wěn)定性觸發(fā)和驅動。我們還使用勢場模型估計了爆發(fā)前外部磁場衰減指數隨著高度的分布。衰減指數在爆發(fā)磁繩之上的很大一個高度范圍之內都保持低于螺線環(huán)不穩(wěn)定性(torus instability)發(fā)生的閾值。這就為這個失敗的爆發(fā)提供了一個可能的解釋。 我們進一步研究了與各種太陽活動現象有關的磁場拓撲和螺度注入。首先,我們發(fā)現磁場零點和日冕亮點有著緊密的關系。一個磁零點的線性結構由脊線和扇面來描述。脊線和扇面處的磁場重聯產生了日冕亮點。其次,磁場零點并不是在所有的磁活動中都出現。通過研究與2005年5月27日M1.1級耀斑相聯系的準分界面,發(fā)現紫外線顯示的耀斑帶和準分界面與光球的交界面在空間上對應得很好。這個M1.1級耀斑峰值時刻的硬X射線源對應于爆發(fā)螺旋結構的足點,這表明磁繩內部可以有效地產生硬X射線源。最后,我們研究了磁繩纏繞數的演化和磁螺度注入的關系,發(fā)現它們之間有著近似線性的正相關關系。不論是水平方向運動(比如旋轉和剪切)還是豎直方向運動(比如磁通量浮現)都可以增加纏繞數,然后引起磁繩的爆發(fā),從而導致日冕物質拋射的形成。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：南京大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2011
【分類號】：P182.7

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本文編號：1424263