發(fā)布時間：2020-09-15 10:58

　　 耀斑是太陽大氣中最壯麗的活動現(xiàn)象之一,常常和暗條(或日珥)爆發(fā)、日冕物質(zhì)拋射(CME)伴隨發(fā)生。這些爆發(fā)活動是空間災(zāi)害性天氣的主要驅(qū)動源,會擾動地球磁場,影響近地空間環(huán)境。研究太陽耀斑的物理機制,一方面有助于理解太陽的磁場結(jié)構(gòu)、演化規(guī)律和相關(guān)活動現(xiàn)象,另一方面也為空間天氣預(yù)報和預(yù)警提供物理基礎(chǔ),是空間環(huán)境保障中不可或缺的一部分。磁場重聯(lián)是耀斑中主要的能量釋放機制。它通過改變磁場的拓?fù)湮恍?將存儲的磁場能量轉(zhuǎn)化為耀斑等離子體的熱能和動能,并加速高能粒子。然而,發(fā)生在日冕中的三維磁場重聯(lián)與經(jīng)典的二維磁重聯(lián)相比,在物理圖像和物理過程上都有顯著區(qū)別,亟需從觀測上為模型和模擬提供約束。本文即圍繞耀斑中的磁場重聯(lián)及相關(guān)能量釋放過程展開研究。借助現(xiàn)代最新的太陽探測衛(wèi)星和儀器,如SDO、STEREO、RHESSI等,展開對太陽多波段、多視角、高分辨率、廣能量范圍的觀測;利用國際上先進(jìn)的方法和手段,如微分發(fā)射量(DEM)反演、磁場外推和擠壓因子計算方法等,實現(xiàn)對耀斑等離子體物理性質(zhì)、活動區(qū)磁場拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及相關(guān)現(xiàn)象的深入分析。文章的具體內(nèi)容包含以下幾個方面:1.磁場重聯(lián)對耀斑等離子體的加熱基于最新的SDO/AIA對太陽的高分辨率多波段成像,我們利用DEM方法分析了經(jīng)典楔形耀斑的溫度性質(zhì)。結(jié)果表明,大多數(shù)耀斑(包括雙楔形結(jié)構(gòu)的耀斑)的楔形結(jié)構(gòu)溫度最高,普遍大于10 MK,和標(biāo)準(zhǔn)耀斑圖像相似,可以用重聯(lián)區(qū)慢模激波的加熱作用來解釋。但是也有例外,例如發(fā)生在2012年7月19日的M7.7級耀斑,在圓形耀斑環(huán)上方的尖狀區(qū)域中,從尖點向下溫度反而升高,可能還存在其它的加熱機制。耀斑期間DEM隨溫度分布呈明顯的雙峰結(jié)構(gòu):低溫分量峰值在logT ≈ 6.2處,主要來自耀斑前后的背景日冕等離子體;高溫分量峰值在logT ≈ 7.0處,來自耀斑等離子體。基于這樣的性質(zhì),在傳統(tǒng)意義上以所有DEM(φT))為權(quán)重的平均溫度Tw,的基礎(chǔ)上,我們引入只考慮高溫DEM分量(T≥4MK,logT6.6)的校正溫度Th=fr≥4MKφ(T)×T dT/JT≥4MRφ(T)dT。相比Tw,Th能更準(zhǔn)確的反映高溫耀斑等離子體的溫度,很大程度上避免了因積分背景等離子體引起的低估,尤其是當(dāng)?shù)蜏氐谋尘叭彰岚l(fā)射量占主導(dǎo)時。2.磁場重聯(lián)的直接觀測盡管磁場重聯(lián)貫穿耀斑過程的始終,但直接觀測仍然非常缺乏。我們利用最新儀器的高時空分辨率成像和多視角觀測,發(fā)現(xiàn)一個耀斑中特殊的第二步重聯(lián),以及首次實現(xiàn)對滑動重聯(lián)的立體觀測。2013年5月13日的X2.8級耀斑包含兩個階段的能量釋放:第一階段表現(xiàn)為磁繩結(jié)構(gòu)的爆發(fā),與標(biāo)準(zhǔn)模型描述相似;第二階段的能量釋放更加劇烈,和一條大尺度冕環(huán)的重聯(lián)密切相關(guān)。我們在SDO/AIA中觀測到低溫的水平重聯(lián)入流和高溫的垂直向上出流,速度分別為130 km/s和740km/s左右。同時,RHESSI探測到劇烈的能量釋放,高能響應(yīng)達(dá)到伽馬射線范圍;光譜擬合顯示很硬(δ≈3)的能譜特征,整體隨時間由軟持續(xù)變硬;環(huán)頂硬X射線源的高度突然劇烈降低,在時間上和AIA304A中突然加速的入流一致,可能和日冕內(nèi)爆圖像相關(guān)。第二步特殊的重聯(lián)進(jìn)一步提高了重聯(lián)率(MA ≈ 0.18),伴隨非常有效的粒子加速和等離子加熱,使耀斑的輻射(大于300keV)和溫度(高約30MK)達(dá)到新高。2011年1月28日的M1.4級耀斑包含南北并排的兩組耀斑環(huán),劇烈的耀斑增亮位于南側(cè)的環(huán)系統(tǒng)。除了 SDO/AIA的邊緣觀測,STEREO-A星還提供了耀斑正上方的俯瞰。在EUVI 195 A中,兩組耀斑后環(huán)逐漸自西向東運動。通過分析活動區(qū)的磁場性質(zhì)以及計算磁場擠壓因子Q,發(fā)現(xiàn)在南北兩組耀斑環(huán)系統(tǒng)之間,存在磁場準(zhǔn)分界層(QSL)相交的雙曲磁通量管(HFT)結(jié)構(gòu);通過重構(gòu)耀斑環(huán)的三維形態(tài),發(fā)現(xiàn)耀斑環(huán)的足點正是沿著HFT在日面上的足跡滑動。這些觀測和分析表明,耀斑后環(huán)在HFT的中心發(fā)生了滑動磁場重聯(lián)�；瑒又芈�(lián)可能間接引起了耀斑的極紫外后相,還進(jìn)一步加劇北側(cè)環(huán)系統(tǒng)中由熱傳導(dǎo)引起的半環(huán)不對稱性。3.磁通量繩結(jié)構(gòu)的起源耀斑中爆發(fā)的磁通量繩結(jié)構(gòu)的起源、形成和向爆發(fā)結(jié)構(gòu)的演化過程一直成迷,也是多年來引起激烈爭論的問題。我們發(fā)現(xiàn)在2013年5月13日X2.8級耀斑中,電流片被撕裂成多個細(xì)小的等離子體團。它們繼續(xù)運動和合并,在電流片頂端形成一個較大的等離子體團,即“種子”磁繩。這個結(jié)構(gòu)形成之后繼續(xù)上升,拉伸外側(cè)的冕環(huán),下方磁場重聯(lián)不斷進(jìn)行,注入的磁通量導(dǎo)致磁繩繼續(xù)膨脹和爆發(fā);加速的磁繩反過來驅(qū)動更快的重聯(lián)入流,形成正反饋機制,最終產(chǎn)生大尺度行星際CME。整個過程伴隨著劇烈的硬X射線輻射。由此,我們在觀測的基礎(chǔ)上提出一個連接多尺度太陽活動的物理圖像,從微觀能量耗散尺度(即粒子動力學(xué)尺度,約104 cm)到宏觀爆發(fā)結(jié)構(gòu)(如爆發(fā)的磁繩和形成的行星際大尺度CME,約1011 cm)。而觀測到的電流片中的等離子體團(尺寸數(shù)量級約108 cm),是連接它們的重要橋梁。4.爆發(fā)性耀斑和CME的耦合在2013年5月13日X2.8級耀斑長達(dá)四個小時的衰減相中,耀斑后環(huán)系統(tǒng)的高度持續(xù)增長,電流片區(qū)域不斷有新出現(xiàn)的環(huán)結(jié)構(gòu)(SADL)快速向下運動,下方耀斑后環(huán)不斷收縮。這些特征都表明磁場重聯(lián)仍然持續(xù)進(jìn)行。另外,衰減相中還探測到了顯著的硬X射線暴,響應(yīng)能量高于100keV,表明此時仍有劇烈的能量釋放。爆發(fā)產(chǎn)生了一個快速CME,它不僅在耀斑脈沖相中被劇烈加速,而且還經(jīng)歷了衰減相中的后期加速過程。CME的后期加速與耀斑衰減相中的能量釋放密切相關(guān),表明它們可能仍然緊密耦合。即耀斑衰減相中持續(xù)的磁場重聯(lián)仍然對CME的加速產(chǎn)生重要作用,可能通過發(fā)生在電流片的重聯(lián)為CME注入更多的磁通量而實現(xiàn)。由此,我們將耀斑和CME的正反饋及耦合關(guān)系延伸到衰減相。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：P353
【部分圖文】：

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年周期變化。更新至２０１８年３月。圖片來源：ＮＡＳＡ。逡逑ＭＭ—逡逑圖１．３第２４太陽活動周概覽逡逑注：白色曲線為平滑后的太陽黑子數(shù)目，圖片為Ｈｉｎｏｄｅ／ＸＲＴ每年年初對太陽的成像觀測，逡逑２０１２至２０１４年的高亮度區(qū)域表示發(fā)射線很強的太陽活動區(qū)，此時太陽活動也較強。更逡逑新至２０１７年。圖片來源：Ｈｉｎｏｄｅ。逡逑３逡逑

逑化。在一個太陽周開始時，黑子群出現(xiàn)在緯度約３０度的區(qū)域，之后逐漸向赤道逡逑靠攏，形成了著名的太陽黑子“蝴蝶圖”，如圖１．２。另外每經(jīng)歷一個活動周期，逡逑太陽磁極性會發(fā)生反轉(zhuǎn)，因此太陽磁場周期大約為２２年。逡逑１．２太陽大氣逡逑１．２．１邋？分層結(jié)構(gòu)逡逑太陽大氣具有分層結(jié)構(gòu)，主要由光球?qū)印⑸驅(qū)雍腿彰峤M成，以及色球?qū)雍湾义先彰嶂g非常薄的過渡區(qū)。從光球往外密度逐漸降低，溫度反而增加，日冕高達(dá)逡逑百萬度。圖１．４為著名的寧靜太陽大氣溫度分布。日冕加熱問題也是太陽物理和逡逑天體物理中懸而未決長期爭議的幾大難題之一。逡逑３０邐｜邋ｎ￣￣１邋Ｉ邋｜邐１邋Ｉ邋Ｉ邋Ｉ邋｜邋Ｉ邋Ｉ邋｜邋Ｉ邋｜邐Ｉ邋Ｉ邋｜邋Ｉ邋Ｉ邋Ｉ邋Ｉ￣逡逑Ｉ邐Ｍｇ邋ｉｉ邋ｋ邋ｌｉｎｅ邐１逡逑＾邋１邋＿逡逑ｏｎ邋＿邐Ｉ邐ＣｏｉｌＫＩｍｅ邐１逡逑ｒｔｐ邋Ｊ邐１邋＾逡逑Ｈａ邋（ｃｏｒｅ）邐Ｈａ（ｗｉｎｇ）逡逑＇邋邐邋－逡逑＊邐３ｍｍ邐１逡逑Ｔ邐？邐Ｉ邋ｍｍ邐＇逡逑Ｔ（ｌ0邋Ｋ）邐？邐６００Ｍｍ邐＊逡逑１０邋—邐＊３０（Ｗ邐一逡逑．邐＊１５０＾＊邐＿逡逑８邋－邋Ｌａ（ｃｅｒｔｅｒ）Ｖ邐Ｃ（邋１０９．８邋ｎｍ）邐５0—ｍ邋－逡逑－邐ｔ——］Ｓｉ（ｌ５２．４ｎｍ）邐－逡逑Ｌａ（ｐｅａｋ）邋、邐邋ｔ邐＼逡逑ｔ邐Ｊ邐邐邐Ｆｅ

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 CHENG Xin;GUO Yang;DING MingDe;;Origin and structures of solar eruptions Ⅰ: Magnetic flux rope[J];Science China(Earth Sciences);2017年08期

本文編號：2818876