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日珥形成的数值模拟研究

作　者: 夏莼
导　师: 陈鹏飞
学　校: 南京大学
专　业: 天体物理
关键词: 日珥暗条数值模拟热不稳定性
分类号: P182
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

日珥是太阳大气中美丽而复杂的等离子体活动现象,它们由低温(～8000K)、稠密(1010—1011cm-3)的等离子体组成,动态地悬浮在光球磁场中性线上方高温稀薄的日冕中。日珥由许多向下伸出的足连接到光球。在日面上,日珥呈现为暗的条状结构,因此又被称为暗条。日珥的形成、维持和抛射等现象中的物理过程十分复杂,其中包含有辐射、热传导、加热、磁场重联、太阳重力等物理因素的非线性相互作用。对美丽而复杂的日珥现象进行解析的理论研究十分困难。因此,通常需要借助数值模拟才能进行定量的研究。本论文拟通过数值模拟对日珥的形成进行系统的研究。前人的研究发现对磁环足点的加热能够引起色球蒸发。高温等离子体充满冕环后在一定条件下触发辐射不稳定性,进而导致物质凝聚成日珥。在此基础上,我们首先利用包含自适应网格的辐射流体力学数值模拟,研究了在持续稳定或有限时间段的色球局部加热下,在一个固定位形的磁环中暗条形成的过程。与前人的研究不同,我们采用了具有浅磁凹陷结构的低平磁环位形来模仿活动区附近暗条的磁场结构,还考虑了更精确的辐射损失。我们首次证明了线性热不稳定性理论可以解释暗条形成时物质凝聚的发生。模拟结果显示在局部加热开始2个多小时后,日冕物质冷凝发生形成暗条物质。取不同的局部加热强度和衰减标高,暗条长度生长的速率范围为800—4000km hr-1。我们还发现了决定暗条物质最初形成时是一段还是两段的条件。在不对称局部加热下,当两段暗条物质形成后,它们汇聚、合并成一段,然后沿磁环运动掉落到磁环足点。在持续稳定的局部加热下,这一动态过程循环地发生,周期为几个小时。我们除了验证前人的发现之外,还发现持续的局部加热不是维持日冕物质冷凝的必要条件。暗条物质一旦形成,即使没有局部加热也能够由于虹吸作用缓慢生长。此外,我们发现暗条在光球p模波的扰动下能够稳定存在。在一维模型的基础上,我们发展了日珥形成的2.5维蒸发—凝聚模型。在包含色球、过渡区和日冕的剪切磁拱中,我们利用2.5维辐射磁流体力学模拟,得到了正常极性宁静日珥在日冕中的形成过程。集中于色球的加热引起色球物质蒸发,日冕物质密度升高、温度先上升后下降,接着热不稳定发生,导致日冕物质冷凝,最终在磁拱顶部形成了日珥。与前人的结果不同,我们的模拟展现了完整的日珥形成过程,其中包括热平衡的破坏、日冕物质冷凝、日珥在宽度和高度方向的生长、在日珥重力的作用下磁拱逐渐被压弯形成磁凹陷。我们得到的日珥形如帘状,悬浮在磁中性线上方,其中磁场方向与日珥长轴方向成一定的夹角。持续的色球加热把色球物质带入日冕,然后冷凝进入日珥,使得日珥稳定生长。我们首次证实了日珥形成的蒸发—凝聚模型在低气压磁压比的日冕中可以得到受力平衡的日珥,并且这一结果可以和解析的Kippenhahn-Schluter静态日珥模型相比较。在论文的最后,我们对日珥形成的数值模拟与观测研究进行了展望。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-8
目录  8-14
第一章日珥的概述  14-40
  1.1 引言  14
  1.2 日珥的形态和分类  14-17
  1.3 日珥物质的物理参数  17-20
    1.3.1 温度和密度  18
    1.3.2 电离度和压强  18-19
    1.3.3 磁场  19-20
  1.4 日珥内部的物质运动  20-21
  1.5 日珥的周围环境  21-23
    1.5.1 暗条周围的光球磁场  21-22
    1.5.2 暗条通道  22
    1.5.3 盔状冕流和冕穴  22-23
  1.6 暗条的手性特征  23-24
    1.6.1 手性特征的识别  23-24
    1.6.2 手性特征与磁螺度  24
  1.7 日珥的平衡模型  24-29
    1.7.1 正常极性模型  25-27
    1.7.2 反极性模型  27
    1.7.3 磁凹陷  27-29
    1.7.4 动态平衡  29
  1.8 日珥形成的观测结果  29-30
  1.9 日珥形成的模型  30-39
    1.9.1 日珥磁场结构的形成  30-32
    1.9.2 日珥物质的形成  32-39
  1.10 日珥形成的难题  39-40
第二章流体和磁流体力学数值模拟方法  40-52
  2.1 控制方程  40-43
    2.1.1 流体力学  40-41
    2.1.2 磁流体力学  41-43
  2.2 离散化  43-45
    2.2.1 有限差分法  43-44
    2.2.2 有限体积法  44-45
  2.3 数值格式  45-46
    2.3.1 TVD的概念  45
    2.3.2 TVD Lax-Friedrich格式  45-46
  2.4 数值程序  46-52
    2.4.1 MPI-AMRVAC简介  46-47
    2.4.2 自适应网格  47-50
    2.4.3 并行化  50-52
第三章磁流管中暗条纤维的形成  52-80
  3.1 引言  52-53
  3.2 数值方法  53-59
    3.2.1 控制方程  53-55
    3.2.2 离散化和网格的设定  55
    3.2.3 初始条件和边界条件  55-59
  3.3 数值结果  59-69
    3.3.1 对称情况的演化  59-66
    3.3.2 不对称情况的演化  66-69
  3.4 讨论  69-77
    3.4.1 热不稳定性  69-72
    3.4.2 持续加热是否必要  72-74
    3.4.3 p模波扰动下日珥的稳定性  74-76
    3.4.4 小结新发现  76-77
  3.5 小结  77-80
第四章剪切磁拱中日珥的形成  80-90
  4.1 引言  80
  4.2 数值方法  80-83
  4.3 日珥形成  83-86
  4.4 日珥结构与受力分析  86-87
  4.5 小结  87-90
第五章总结与展望  90-94
  5.1 总结  90-92
  5.2 展望  92-94
参考文献  94-106
发表论文  106-108
致谢  108-110

日珥形成的数值模拟研究

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