【摘要】：磁通量繩是一種基本磁化等離子體結(jié)構(gòu),表現(xiàn)為一組磁力線繞其中心軸扭纏。它的尺度橫跨十幾個數(shù)量級,在實驗室等離子體裝置、地球磁層、太陽大氣、行星際空間、甚至星系宇宙均有相關(guān)研究。在太陽大氣中,磁通量繩通常被認為與大尺度爆發(fā)活動有關(guān)。太陽大尺度爆發(fā)活動包括暗條爆發(fā)、耀斑、日冕物質(zhì)拋射等等。這些爆發(fā)活動對地球空間環(huán)境有重要影響,是災(zāi)害性空間天氣的驅(qū)動源。研究太陽磁通量繩的形成與演化過程,對深入理解太陽大尺度爆發(fā)活動的產(chǎn)生機制,提高災(zāi)害性空間預(yù)報有重要意義。同時太陽磁通量繩形成與演化過程的研究結(jié)果可為太陽系外天體的相關(guān)研究提供參考。目前的研究已經(jīng)證實爆發(fā)后確實存在一個磁通量繩,且起源于太陽。但是磁通量繩是怎么形成的,形成之后會如何演化,在爆發(fā)前是否存在磁通量繩等問題到現(xiàn)在還沒有完全解決。通過分析目前高分辨率太陽成像望遠鏡和行星際局地探測衛(wèi)星的數(shù)據(jù),運用與發(fā)展最新的圖像識別技術(shù),并借助國際上先進的重構(gòu)方法、磁場外推方法與數(shù)據(jù)驅(qū)動模擬方法,我們可以對太陽磁通量繩形成與演化過程進行深入的研究。在本文中,我們首先分析了三個代表性的磁通量繩形成與演化事件,揭露了磁通量繩的內(nèi)部結(jié)構(gòu),討論了磁重聯(lián)對磁通量繩形成與演化的作用與影響,給出了磁通量繩爆發(fā)的條件。之后,我們從磁通量繩的足點出發(fā),統(tǒng)計研究了光球?qū)友莼c磁通量繩形成的關(guān)系。文章的具體內(nèi)容如下:爆發(fā)前磁通量繩如何演化到臨界爆發(fā)條件是研究爆發(fā)機制的一個關(guān)鍵問題。結(jié)合SDO與STEREO多角度觀測,我們發(fā)現(xiàn)一個磁通量繩在經(jīng)歷了長達5個小時的緩慢膨脹后突然爆發(fā)。這種長時間多角度的觀測數(shù)據(jù),使得我們可以詳細地分析磁通量繩爆發(fā)前的演化過程。進一步的分析發(fā)現(xiàn)磁通量繩的足點位于光球?qū)訌婋娏鲄^(qū)域。因此我們可以利用光球?qū)哟艌鰯?shù)據(jù)直接估算出爆發(fā)之前磁通量繩的扭纏圈數(shù)T。研究結(jié)果表明,在這5個小時的準靜態(tài)演化過程中,磁通量繩的平均扭纏增長了1圈左右。之后,我們詳細地探討了磁重聯(lián)和光球?qū)友莼瘜@種增長過程的作用。我們發(fā)現(xiàn)爆發(fā)前這5個小時的準靜態(tài)演化很可能與磁重聯(lián)相關(guān),而之后的爆發(fā)過程更可能是由torus不穩(wěn)定性觸發(fā)。磁通量繩的非爆發(fā)性演化過程也同樣值得關(guān)注。最近的研究工作發(fā)現(xiàn)日珥暗腔系統(tǒng)會出現(xiàn)類龍卷風運動,而這種運動引起了廣泛的關(guān)注。一般的解釋是,當日珥物質(zhì)沿著暗腔的螺旋磁場運動時,會表現(xiàn)為這樣的旋轉(zhuǎn)運動。而我們觀測到與以往不同的大尺度龍卷風演化,即大尺度日珥的整體旋轉(zhuǎn)運動。我們的分析發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象可能對應(yīng)磁通量繩的一種非爆發(fā)性演化過程。通過對SDO多個波段觀測數(shù)據(jù)的分析與光球?qū)哟艌鐾馔品治?我們發(fā)現(xiàn)這種類似龍卷風的整體旋轉(zhuǎn)運動很有可能是由kink不穩(wěn)定性驅(qū)動的。這個過程與之前暗條失敗的爆發(fā)事件類似。日珥首先扭曲上升,之后與周圍磁場重聯(lián),出現(xiàn)亮的垂直纖維結(jié)構(gòu),而后這些纖維結(jié)構(gòu)快速旋轉(zhuǎn),大部分日珥物質(zhì)隨著這些亮纖維結(jié)構(gòu)回落到日珥通道之外的區(qū)域。隨后日珥結(jié)構(gòu)整體瓦解,剩余的物質(zhì)會沿螺旋形磁力線回到原有的通道中。盡管在地球附近的局地測量結(jié)果證實爆發(fā)之后存在磁通量繩結(jié)構(gòu),但是爆發(fā)之前是否存在磁通量繩仍舊存在爭議。我們觀測到一種新型的雙帶耀斑演化過程:在耀斑雙帶的最遠端,出現(xiàn)由亮點擴散為不規(guī)則亮環(huán)的過程。而亮環(huán)包圍了一對共軛暗化區(qū)域,被認證為磁通量繩的足點。這一演化過程表明,磁通量繩主體是在爆發(fā)過程中通過磁重聯(lián)形成的,亮環(huán)為磁通量繩邊界準分界層的'足跡'。根據(jù)理論模型,磁通量繩的環(huán)向磁通Φp可以通過雙帶耀斑掃過面積來估算;而軸向磁通Φt則由其足點區(qū)域計算。這兩個量的比值可以用來估算磁通量繩平均扭纏圈數(shù),同時△Φp/△Φt的時間變化表征了扭纏空間分布情況。我們發(fā)現(xiàn)磁通量繩核心高度扭纏,由內(nèi)向外扭纏度下降,這種非均勻扭纏分布與近地衛(wèi)星的局地觀測重構(gòu)結(jié)果一致。而我們觀測進一步給出這種非均勻扭纏分布與磁重聯(lián)率相關(guān)。現(xiàn)有的模型無法解釋這種由磁重聯(lián)導(dǎo)致的非均勻扭纏分布。我們通過詳細分析磁通量繩足點的演化過程,發(fā)現(xiàn)磁通量繩與周圍磁場的重聯(lián)對光球?qū)哟艌鲆灿酗@著影響。在爆發(fā)過程中,足點邊界的亮帶分別先后兩次掃過足點與黑子半影重合的區(qū)域,表明有兩種不同的重聯(lián)過程發(fā)生在該區(qū)域。在第一階段的重聯(lián)過程中,原本沿黑子磁力線向上傳播的本影波在重合區(qū)域消失,同時該區(qū)域的光球?qū)涌v場和橫場突然同步減小,表明剪切磁場轉(zhuǎn)換成扭纏磁場。而在第二階段的重聯(lián)過程中,本影波恢復(fù)在重合區(qū)域的傳播,同時該區(qū)域的光球?qū)涌v場和橫場快速增加,表明扭纏磁場消失,磁通量繩在上升過程中與外部磁場重聯(lián),導(dǎo)致重合區(qū)域的扭纏磁場逐步轉(zhuǎn)換成其他磁場結(jié)構(gòu)。光球?qū)友莼欠衽c磁通量繩形成有直接關(guān)系?而光球?qū)訌婋娏鲄^(qū)域通常表征光球?qū)痈黝愌莼^程。為了研究這個問題,我們從磁通量繩足點出發(fā),統(tǒng)計研究了足點與光球?qū)訌婋娏鞯年P(guān)系。我們選取了 10個與強電流相關(guān)的活動區(qū),并分為三類,一類只有黑子旋轉(zhuǎn)運動,一類只有中性線附近的強剪切運動,最后一類是兩者均有。我們分析了這些活動區(qū)產(chǎn)生的12個爆發(fā)事件,每個事件都有對應(yīng)的CME,也觀測到了與磁通量繩相關(guān)的結(jié)構(gòu)。所有的事件都觀測到明顯的共軛暗化現(xiàn)象,我們以此確定了所有事件的磁通量繩足點。統(tǒng)計結(jié)果表明,大部分事件中磁通量繩的足點都在強電流區(qū)域。此外,我們發(fā)現(xiàn)有一半的事件,其足點的暗化現(xiàn)象出現(xiàn)在爆發(fā)之前。而這些事件的一個足點都與旋轉(zhuǎn)的黑子相關(guān)。
【圖文】：

分是氫（Ｈ）和氦（Ｈｅ），其他元素包括碳（Ｃ）、氧（０）、氮（Ｎ）和各種金屬，占比不到逡逑２％。盡管太陽的內(nèi)部無法被直接觀測到，我們可以通過日震學（ｈｅｌｉｏｓｅｉｓｍｏｌｏｇｙ）逡逑的方法，推斷出其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖１．１。太陽的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括內(nèi)核（ｃｏｒｅ）、福射區(qū)逡逑（ｒａｄｉａｔｉｖｅ邋ｚｏｎｅ），，以及對流區(qū)（ｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ邋ｚｏｎｅ）。熱核反應(yīng)發(fā)生在太陽的內(nèi)核，產(chǎn)逡逑生大量的能量，并通過福射（ｒａｄｉａｔｉｏｎ）的形式向外傳輸。福射出的光子在福射區(qū)逡逑被反復(fù)吸收發(fā)射，經(jīng)過漫長的時間才能逃離該區(qū)域。相反，在對流區(qū)，輻射能量逡逑會以對流的形式傳到太陽大氣層。而光子在大氣層中可以自由穿梭，使得太陽大逡逑氣層可以被我們直接觀測到。太陽大氣層有多層結(jié)構(gòu)，包括光球?qū)樱ǎ穑瑁铮簦铮螅穑瑁澹颍澹�、逡逑色球�(qū)樱ǎ悖瑁颍铮恚铮螅穑瑁澹颍澹�、過渡區(qū)（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ邋ｒｅｇｉｏｎ）和日晃（ｃｏｒｏｎａ）。光球?qū)拥暮穸儒义想m然只有大約５００邋ｋｍ，但是其物質(zhì)稠密，大部分太陽輻射來自這里，在近極紫逡逑光（ｎｅａｒ－ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）、可見光和近紅外光（ｎｅａｒ－ｉｎｆｒａｒｅｄ）波段可見。而色球?qū)�，物逡逑質(zhì)比光球?qū)酉∩?

圖.口1.口目190019101920193019和193口1990197018801口.0}匆10
【學位授予單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：P182

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