【摘要】：太陽大氣中的等離子體與磁場是高度耦合的,磁場在日冕的加熱和動力學(xué)過程中扮演了至關(guān)重要的作用。觀測也顯示對地球和空間環(huán)境具有重要影響的太陽爆發(fā)事件都源自日冕的磁活動。因此對日冕磁場的研究是理解太陽活動、日冕加熱機制和開展空間天氣預(yù)報的一個重要基礎(chǔ)。隨著現(xiàn)代空間和地面儀器的發(fā)展,我們可以以準確度和高時空分辨率來測量太陽光球?qū)拥拇艌觥Ｈ欢?對日冕磁場的直接測量仍然存在著很大的難度,通常的方法是利用光球的觀測數(shù)據(jù)和適當?shù)拇艌瞿Ｐ?如無力場模型)來重構(gòu)出日冕的三維磁場。據(jù)此,我們可以對日冕磁場進行詳細的分析,結(jié)合磁拓撲理論,研究日冕的磁流體動力學(xué)過程。在本論文中,我們利用太陽動力學(xué)天文臺、日出衛(wèi)星和拉馬第高能太陽光譜成像儀獲得的多波段觀測資料,運用日冕磁場重構(gòu)技術(shù)和磁拓撲分析方法,對磁場在太陽爆發(fā)事件和日冕加熱機制等方面所起到的關(guān)鍵作用進行了深入的研究。日冕磁場的連接性將日冕劃分成不同的磁拓撲區(qū)域。磁拓撲區(qū)域的邊界(如分界層)是一些非理想過程(如磁重聯(lián))發(fā)生的場所。磁拓撲的邊界在形態(tài)上通常與一部分紫外波段的輻射特征相符合,例如在耀斑過程中低層輻射展示的耀斑帶對應(yīng)磁拓撲邊界在色球的映射。為了研究磁拓撲結(jié)構(gòu)與太陽爆發(fā)事件的相關(guān)性,我們對發(fā)生于2012年10月23日的X級環(huán)形耀斑進行了詳細的分析。該耀斑在Ca Ⅱ H譜線的輻射中展示出一個準環(huán)形的耀斑帶,并且在其內(nèi)外還存在另外兩條狹長的耀斑帶。極紫外成像觀測顯示一個熱通道結(jié)構(gòu),說明此耀斑過程中有磁繩結(jié)構(gòu)存在。此外,熱通道的兩個足點正好對應(yīng)兩個硬X射線源。利用非線性無力場模型,我們對該活動區(qū)進行了日冕三維磁場的重構(gòu),并證認出三個磁拓撲結(jié)構(gòu):一個三維磁零點、一個磁繩結(jié)構(gòu)和一個大尺度準分界層結(jié)構(gòu)。我們發(fā)現(xiàn)磁零點包含在大尺度準分界層中,而磁繩結(jié)構(gòu)位于磁零點的扇面之下,并且硬X射線輻射起源于磁繩與周邊磁場之間的磁重聯(lián)。以上三個磁拓撲結(jié)構(gòu)的動力學(xué)演化與相互作用導(dǎo)致了該耀斑的爆發(fā)以及在爆發(fā)過程中所展示出的多波段輻射特征。由于大多數(shù)爆發(fā)性事件的源區(qū)都存在高度剪切的磁拱或者磁繩結(jié)構(gòu),定量研究這種結(jié)構(gòu)的拓撲性質(zhì)和時間演化對于理解太陽爆發(fā)活動是十分重要的。為此,我們跟蹤了太陽活動區(qū)12017從2014年3月28日至29日共兩天的演化,并通過非線性無力場模型重構(gòu)了該區(qū)域的日冕三維磁場。在兩天的時間內(nèi),該區(qū)域內(nèi)的暗條活動觸發(fā)了 12個太陽耀斑,包括9個C級耀斑,2個M級耀斑和1個X級耀斑。在日冕磁場中我們證認了一個磁繩結(jié)構(gòu),并發(fā)現(xiàn)它與暗條在空間和形態(tài)上是對應(yīng)的。我們利用準分界層來定義磁繩的邊界,提取出了磁繩自身的空間區(qū)域以及其內(nèi)部的磁場分布。對比耀斑前后的磁繩結(jié)構(gòu),我們發(fā)現(xiàn)閉合性的準分界層(磁繩的包絡(luò))所勾勒出來的區(qū)域在耀斑發(fā)生后有明顯的減小。我們還計算了磁繩結(jié)構(gòu)的纏繞數(shù)和相對磁螺度,并且發(fā)現(xiàn)該活動區(qū)大多數(shù)耀斑的發(fā)生都是由扭曲不穩(wěn)定性引起的。進一步研究表明,不同特征參數(shù)對耀斑的響應(yīng)是不同的,相對來說磁繩纏繞數(shù)的敏感性要高于其他參數(shù)(如磁螺度)。除了太陽爆發(fā)事件,日冕加熱是太陽物理中另一個未解決的重要問題,即日冕等離子體是通過何種方式被加熱到百萬度的高溫。目前已經(jīng)提出了幾種加熱機制,比較流行的有阿爾芬波加熱和磁重聯(lián)(納耀斑)加熱。二者在理論上都可以提供日冕加熱所需要的能量,但是在一般的情況下,二者都缺乏利用觀測數(shù)據(jù)進行反饋的定量模型。我們基于磁重聯(lián)加熱機制發(fā)展了一個利用磁場的觀測數(shù)據(jù)進行約束的日冕結(jié)構(gòu)模型。該模型給出了與極紫外波段觀測相符合的輻射特征。在理想等離子體(無磁重聯(lián))中,磁場與等離子體凍結(jié)在一起,磁力線的足點與周圍的等離子體以相同的速度運動。但實際上,由于磁場的耗散(磁重聯(lián))磁力線足點和等離子體之間的速度有偏差,這個偏差稱之為非理想速度,它與磁重聯(lián)速率成正比�；谏鲜鑫锢韴D像,我們首先從觀測到的時間序列的磁圖推導(dǎo)了非理想速度的分布以及對應(yīng)的加熱函數(shù),然后基于流體靜力學(xué)平衡假設(shè)推導(dǎo)日冕磁環(huán)的熱力學(xué)結(jié)構(gòu)。該模型不依賴于反常電阻率的假設(shè),一個重要參數(shù)是重聯(lián)磁流管橫截面的尺度。該尺度參數(shù)可通過模型結(jié)果與觀測的對比,結(jié)合高分辨率的觀測資料而得到限制,大約是160 km左右。對比模型生成的和實際觀測的極紫外圖像,我們發(fā)現(xiàn)兩者不但在定性上(冕環(huán)的形態(tài))而且在定量上(極紫外輻射強度的直方分布)都符合得很好。此外,模型給出的微分發(fā)射度與多波段觀測反演出的微分發(fā)射度具有相似的輪廓。由此可見,我們的研究證實了磁重聯(lián)加熱(納耀斑)機制可以提供日冕加熱所需的能量,并且能夠維持一個與觀測相符合的活動區(qū)日冕結(jié)構(gòu)。
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：P182
【圖文】：

第一章引言逡逑太陽是離我們最近的恒星，距離地球約為１．５邋ｘ邋１０８邋ｋｍ，其直徑約為１．３９邋ｘ邋１０６逡逑ｋｍ，為地球直徑的１０９倍。太陽的質(zhì)量約為２．０邋ｘ邋１０３Ｃ）邋ｋｇ，占據(jù)太陽系總質(zhì)量逡逑的９９．８６％。太陽的能量來自其核心區(qū)域的核聚變反應(yīng)，每秒釋放約３．８７邋ｘ邋１０２６逡逑焦耳的能量，核心區(qū)域的溫度約為１．５７邋ｘｌ０７Ｋ，密度約為丨５０邋ｇ邋ｃｍ＿３，該區(qū)域逡逑■直延伸到０．２－０．２５個太陽半徑左右。核心區(qū)域外的輻射區(qū)（ｒａｄｉａｔｉｖｅ邋ｚｏｎｅ）延逡逑

的增亮位置，五分鐘后增亮位置分別移動至Ｃ和Ｄ。逡逑到了人類記錄中的第一個也是到目前為止觀測到的最具威力的太陽耀斑［１６１，如逡逑今我們一般將其命名為卡林頓耀斑（圖１．３）。卡林頓注意到了十八小時后發(fā)生的逡逑地磁暴，并敏銳地指出二者之間可能存在關(guān)聯(lián)。很不幸的是，這種關(guān)聯(lián)被開爾文逡逑勛爵（Ｌｏｒｄ邋Ｋｅｌｖｉｎ）的計算所否決［８Ｌ然而開爾文勛爵的理論是建立在一個錯誤逡逑的基礎(chǔ)上，即，太陽與地球之間是絕對的真空。這一假設(shè)直到１９５８年才被３１歲逡逑的尤金？紐曼？帕克（Ｅｕｇｅｎｅ邋Ｎｅｗｍａｎ邋Ｐａｒｋｅｒ）質(zhì)疑，他提出的太陽風(fēng)理論指出逡逑炙熱的日冕是無法靜止的，太陽風(fēng)會將物質(zhì)不斷地吹到太陽系的各個角落［１７，｜８］。逡逑該理論很快就被蘇聯(lián)的空間探測衛(wèi)星月球一號（Ｌｕｎａ邋１）的測量結(jié)果所證實［叫，逡逑自此，我們對太陽活動的認識也發(fā)生了巨大的變化。盡管在耀斑中的太陽輻射逡逑總能量的變化不到１％，所釋放的能量卻足以改變地球附近的空間環(huán)境，甚至地逡逑面設(shè)備也會受到影響。例如

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本文編號：2728811