【摘要】：日冕物質拋射(CME)是太陽系中最大尺度的爆發(fā)現(xiàn)象,它可以對我們?nèi)祟愘囈陨娴牡厍蚝涂臻g環(huán)境的安全造成嚴重影響。為了準確預報CME引起的空間災害性天氣,急需解決的問題包括CME是如何起源的?CME的結構是什么?CME又是如何在日冕中演化的?如果能夠從本質上解決這三個問題,那么就可以極大地提高空間天氣預報的準確率。在本論文中,我們對這三個問題進行了詳細和深入的研究。首先,我們研究了磁繩的起源和演化,以及磁繩在耀斑后環(huán)重新爆發(fā)中的作用(第3章)。接著,我們詳細分析了三個CME事件的觸發(fā)機制,比較了失敗爆發(fā)和成功爆發(fā)上方背景磁場的性質(第4章)。通過微分輻射測量(DEM)技術,我們進一步確定了CME三個不同結構分量(磁繩,前端和暗區(qū))的溫度和密度(第5章)。隨后,我們研究了三個CME事件的脈沖加速過程,統(tǒng)計了CME在傳播相的加速度(第6章)。最后,我們分析了一個CME的早期膨脹運動,研究了相關的EUV擾動的物理性質(第7章)。本論文的主要結論如下： 通過研究2011年3月8日CME事件,我們發(fā)現(xiàn)磁繩(一個位于磁場中性線上方的電流通道結構)在CME開始之前就己經(jīng)存在。它一開始表現(xiàn)為扭曲的S形通道結構,溫度高達一千萬度。在緩慢上升相,這個熱通道會逐漸演變?yōu)榄h(huán)狀結構。一旦熱通道上升到一定高度,它開始向外加速拋射；同時,相關耀斑的輻射開始快速地增強。這些觀測說明熱通道很可能就是太陽物理學家在過去幾十年一直尋找的磁繩結構。我們進一步分析了2010年11月3日發(fā)生在太陽東邊緣的CME事件,發(fā)現(xiàn)初始磁繩的纏繞度可以在脈沖加速相進一步增加。在向上加速的同時,磁繩還會向外拉伸上方的背景磁場,形成較冷的CME前端。這導致CME的早期結構由不同的溫度分量組成：熱的磁繩核心和冷的增亮前端。在CME拋射之后,磁重聯(lián)會在磁繩下方形成一組新的磁環(huán)系統(tǒng),即耀斑后環(huán)。我們發(fā)現(xiàn)這些耀斑后環(huán)可以快速地向外膨脹,產(chǎn)生第二次CME／耀斑爆發(fā)。把矢量磁場數(shù)據(jù)作為底邊界條件,通過非線性無力場外推,我們揭示了耀斑后環(huán)能夠發(fā)生第二次爆發(fā)的本質在于其下方的磁繩系統(tǒng)存在快速的浮現(xiàn)和纏繞運動。 CME在脈沖加速相開始之前通常會經(jīng)歷一個緩慢的上升過程,上升的典型速度為幾十千米每秒。對于2008年4月26日的CME,我們發(fā)現(xiàn)相關活動區(qū)為簡單的雙極場,整個磁場結構由S形的核心場和拱狀的背景場組成。在S形結構中間,我們發(fā)現(xiàn)存在持續(xù)的EUV增亮,這暗示了在那里有磁重聯(lián)發(fā)生。此外,在活動區(qū)周邊沒有出現(xiàn)任何Breakout模型預言的遠距離增亮跡象。根據(jù)這些特征,我們推測這個CME的緩慢上升極有可能是由Tether-Cutting重聯(lián)引起的。對于發(fā)生在2011年3月7日和8日的另外兩個CME,我們也認為可能是磁重聯(lián)引起了緩慢上升運動。但是,脈沖加速相的觸發(fā)應該歸因于電流環(huán)不穩(wěn)定性(Torus Instability)的發(fā)生�；谶@個背景,我們進一步檢查了約束性耀斑(沒有CME伴隨)和拋射性耀斑(有CME伴隨)的背景磁場性質。通過非線性無力場外推,我們計算了耀斑上方的日冕磁場,發(fā)現(xiàn)在低日冕高度(～10Mm)橫向磁場衰減指數(shù)在拋射性耀斑上方較大；而橫向磁場的強度在拋射性耀斑上方則較小。這些特征暗示一個耀斑要想成為拋射性耀斑,其背景磁場應該具備較大的衰減指數(shù)和較小的磁場強度。 通過DEM技術,我們還分析了三個CME不同結構分量的溫度和密度性質,包括CME核心區(qū)的磁繩、亮的環(huán)狀前端和尾隨CME的日冕暗區(qū)。我們發(fā)現(xiàn)磁繩有著最高的平均溫度(8MK)和密度(～1.0×1009cm-3),導致其在很寬的溫度范圍內(nèi)都存在很強的輻射。另一方面,CME前端的溫度較低(～2MK),溫度分布范圍也較窄(1-3MK)。和背景日冕相比,CME前端的溫度沒有明顯的變化,只是等離子體的密度有所增加,增加的百分比為～2%-33%。對于日冕暗區(qū),溫度分布范圍稍寬(1-4MK)。但是,相對于背景日冕,其密度減小了-35%-40%。這些結果證明：(1)CME核心區(qū)磁繩被磁重聯(lián)嚴重加熱；(2)CME前端是磁繩膨脹引起周圍等離子體壓縮的產(chǎn)物；(3)日冕暗區(qū)主要是由CME引起的低日冕等離子體稀釋所致。 通過詳細的運動學分析,我們證明了在CME的脈沖加速相,其在低日冕中的加速度和重聯(lián)過程中的電場以及相關耀斑硬X射線15-25keV的流量有著很好的時間相關性。這意味著CME和相關耀斑應該是同一種物理過程的兩種不同表現(xiàn)形式,這個物理過程的本質可能是發(fā)生在磁繩下方的磁重聯(lián)。我們也詳細研究了CME在外日冕中的后脈沖相加速度。通過大樣本的統(tǒng)計分析,我們發(fā)現(xiàn)與長衰減耀斑相關的CME傾向于有正的后脈沖相加速度,盡管它們已經(jīng)在脈沖相獲得了很高的徑向速度,而且還受到背景太陽風的粘滯力作用。相反,與短衰減耀斑相關的CME傾向于有負的后脈沖相加速度。定量上,CME后脈沖相加速度與耀斑衰減時間有一定的相關性。另外還有一種CME事件,它們和短衰減耀斑相關但是有著正的后脈沖相加速度。我們發(fā)現(xiàn)這一類CME的速度一般比較慢、強度一般比較弱,從而很容易從相對較快的背景太陽風中獲得加速。 最后,我們研究了2011年6月7日CME事件的早期膨脹,主要關注EUV波的物理性質。隨著CME脈沖加速相或相關耀斑快速能量釋放相的開始,CME經(jīng)歷了強烈的側向膨脹,膨脹速度在短短6分鐘內(nèi)從100km／s增加到450km／s。一個重要發(fā)現(xiàn)是當CME的側向膨脹速度開始減小時,一個彌散的EUV波開始從CME前端分離；幾乎同時,一個射電II型暴也隨之出現(xiàn)。當EUV波從CME前端分離之后,兩者有著不同的運動學演化特征。EUV波傳播到整個太陽日面,而CME前端則進一步上升,形成CME拋射體,尾隨于EUV波之后。這些觀測說明以前所爭議的EUV波應該是一種綜合現(xiàn)象,其性質本質上由CME的動力學過程決定。在CME的加速膨脹相,EUV波前端與CME前端耦合在一起,它們應該通過磁力線拉伸模型解釋。但是一旦當CME膨脹開始減速,EUV波就會從CME前端分離,隨后作為一個快模磁聲波在日冕中自由傳播。 總的來說,在本論文中,我們對CME起源、結構和演化的各個方面做了詳細的研究,包括CME的前身結構、拋射條件、溫度密度性質、運動學演化,以及相關EUV波的物理性質。這些研究結果對CME起源、結構和演化的理解起到了重要的推動作用。
【學位授予單位】：南京大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：P182.6

【引證文獻】

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1 董麗花;丁留貫;陳小蘭;曹鑫鑫;;2012年1月23日SEP事件的“twin-CME”爆發(fā)現(xiàn)象[J];廣西師范大學學報(自然科學版);2014年03期

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本文編號：2527066