（等离子体物理专业论文）太阳和空间等离子体中两个与波动相关的问题.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 本文重点研究了太阳与空间物理中两个与等离子体波动相关的具体问题：基于 c l u s t e r 卫星观测数据的地磁尾磁场重联过程中低杂波提供的反常电阻的研究和日冕中 电流片内冕环协同加热机制的研究。 磁场重联是空间、天体以及实验室等离子体中的一种快速的释放能量的方式，例如 太阳耀斑，日冕物质抛射，磁暴和磁层亚暴，以及托克马克约束装置中的锯齿模不稳定 性等。关于磁场重联的研究一直以来就被大家所重视，而其中理想磁流体力学的磁冻结 效应的破坏是磁重联理论最关注的中心问题。重联点的磁冻结效应的破坏为磁场重联提 供了驱动机制。在这个问题上，反常电阻一直以来备受关注，被认为可以为快速磁重联 提供有效的耗散机制。尤其是低杂漂移波不稳定性更被许多学者认为是提供反常电阻的 首选。_ 直以来，不论是理论还是数值模拟都表明出现大的密度梯度和磁场梯度的地方， 抗磁电流往往会激发低杂漂移波不稳定性，但是这些梯度一般分布在等离子体电流片的 边缘，而真正需要反常电阻来激发磁重联的地方是在磁重联发生的电流片中心。也有一 些研究者研究过重联过程中的低杂波以及与其相关的反常电阻，然而，由于他们的观测 位置距重联点较远，得到的结果是“负的，即低杂波提供的反常电阻远不能满足快磁 重联所需。 本文中，我们报道一则由c l u s t e r 卫星穿越电流片中心的磁尾重联事例。根据电场 在低混杂频率附近能量谱求得相应的反常电阻，并将之与由卫星数据直接求得的重联发 生所需的有效电阻进行比较。结果发现在电流片中心，x 点附近，低杂波频率湍流产生 的反常电阻可以触发快速磁重联；而在磁场重联的出流区内电流片的中心( 舻o ) ，得到 了与以往工作 b a l ee ta l ( 2 0 0 2 ) ；c a r t e re ta 1 ( 2 0 0 2 ) 相同的“负的 结果，即低混杂漂移波 产生反常电阻远远小于重联发生实际所需电阻。 第二部分工作主要介绍日冕电流片中冕环的协同加热机制。日冕加热作为太阳物理 的挑战性的问题之一，长达几十年来一直困扰着科学家。对于太阳表面( 光球层、色球 层) 温度只有6 0 0 0 度左右的太阳，其外层大气日冕的温度竞高达百万度，并因此导 致巨大的能量以辐射、扩散、传导等形式从日冕流向太空中( 在日冕活动区其能流密度 高达1 0 4 w m 五，即使宁静区强度也有3 x 1 0 2 w m 五) 。一定存在一种加热机制使得日冕维持 如此高的温度，平衡因为各种耗散机制引起的能量损失。基于此，科学家们提出了各种 各样的加热机制。基于足点的运动时间尺度和剪切a l f v 6 n 波的特征传播频率的比较， 这些加热机制大致可分为：由j e q j 2 引起的“直流”( d c ) 欧姆加热( 或称焦耳加热) 太阳和空间等离子体中两个与波动相关的问题 以及等离子体波粒子相互作用引起的“交流”( a c ) 波加热两大类。对于在日冕等 离子体子中究竟是电流片欧姆加热还是波加热，这一直是许多科学家致力研究的问题。 但实际上我们认为在日冕电流片中两种加热机制相互关联、相互补充、相互影响的。 因此，日冕加热过程问题很可能是一种与磁场拓扑位型紧密相关的协同加热( s y n t h e t i c h e a t i n g ) 过程。本文中，我们提出了一个奇异层电流片中欧姆加热和波加热相结合的协 同加热机制。我们知道，磁场重联过程中会形成小尺度的奇异的电流片结构( 这是日冕 电流片加热理论提出的一种主要机制) ，冕环足点的对流运动也可以在磁分形面产生小 尺度的电流片结构，同时这个小尺度的奇异电流片也可以由剪切流导致的a l f v d n 共振 引发。与此同时，在奇异的电流片结构这样非常小的空间尺度上，必须考虑到双流体效 应，从而可以激发动力学a l 6 n 波( k i n e t i ca 1 f v d nw a v e ，k a w ) 。而动力学a l 6 n 波也 是日冕波加热理论提出的一种主要机制。我们大致估算了存在奇异层电流片时两种加热 机制的加热功率，可以看出，在小尺度的电流结构中，不仅存在欧姆加热，而且也存在 波的加热，二者共同对加热日冕等离子体做出贡献。这样一个加热机制也许可以改善我 们对日冕加热问题的理解。 基于以上，本论文的安排如下， 第一章，综述了本文课题的研究背景。介绍了基础物理知识，日冕物理，地磁层内 磁场重联，以及涉及到的等离子体波动的基本内容；第二章，介绍了地磁尾重联观测问 题中所用到的卫星，数据，及数据处理方法；第三章，重点在低杂波频段的湍流提供 的反常电阻激发重联的问题研究；第四章，日冕加热问题的研究，在现有理论的基础上， 提出电流片中日冕的协同加热，即欧姆加热和k a w 波加热两种加热机制共同加热日冕 等离子体。最后，我们对整篇论文进行了一个简要的总结。 关键词：磁场重联；日冕加热；反常电阻；低杂波；动力学a l f v d n 波 大连理工大学博士学位论文 t w o p r o b l e m sr e l a t e dt op l a s m aw a v e s i ns o l a ra n ds p a c ep l a s m a s a b s t r a c t t i l i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt w oi m p o r t a n tp r o b l e m sr e l a t e dt op l a s m aw a v e si ns o l a ra n d s p a c ep l a s m a s ：s t u d i e sf o ra n o m a l o u sr e s i s t i v i t yd u et ol o w e rh y b r i df r e q u e n c yt u r b u l e n c ei n f a s tm a g n e t i cr e c o r m e c t i o ni nm a g n e t o t a i lb a s e do nc l u s t e rs a t e l l i t ed a t aa n dt h es y n t h e t i c c o r o n a lh e a t i n gm e c h a n i s mo nc u r r e n ts h e e t s ，n l ev i o l a t i o nt ot h ef r o z e n i nc o n d i t i o ni ni d e a lm a g n e t o h y d r o d y n a m i c s ( m h d ) i s f u n d a m e n t a lf o rm a g n e t i cr e c o n n e e t i o nw h i c hi st h o u g h td e c i s i v e l yi m p o r t a n tf o rf a s te n e r g y r e l e a s ea n dc o n v e r s i o ne v e n t si ns p a c e ，a s t r o p h y s i c a la n dl a b o r a t o r yp l a s m a s ，s u c ha ss o l a r f l a r e s ，c o r o n a lm a s se j e c t i o n s ，m a g n e t o s p h e r i cs t o r m sa n ds u b s t o r m s ，a sw e l la ss a w t o o t ha n d d i s r u p t i v ei n s t a b i l i t i e si nt o r o i d a lc o n f i n e dd e v i c e s m a g n e t i cr e c o n n e c t i o nr e l i e so nt h e d i s s i p a t i o nm e c h a n i s mi nal o c a l i z e dn a r r o wz o n ec a l l e d d i f f u s i o n r e g i o n , w h e r et h e f r o z e n - i nc o n d i t i o ni s b r o k e n r e s i s t i v i t ya n o m a l o u s l yg e n e r a t e dv i at h ew a v e p a r t i c l e i n t e r a c t i o ni st h o u g h tt ob ea b l et op r o v i d es i z a b l ed i s s i p a t i o nt oe x p l a i nv i o l a t i o no ff r o z e n i n c o n d i t i o na n dt h es u d d e no n s e to ff a s tm a g n e t i cr e c o n n e c t i o n i nt h i st h e s i s ，a ni n t e n s i v es p e c t r u mo ft u r b u l e n c ep e a k e da t l o w e r - h y b r i d ( l h ) f r e q u e n c yn e a rt h ex - p o i n ti naf a s tm a g n e t i cr e c o n n e c t i o ne v e n ti so b s e r v e db yt h ec l u s t e r s p a c e c r a f ti nt h em a g n e t o t a i l t h ee l e c t r i cf i e l dp o w e rd e n s i t ya r o u n dl hf r e q u e n c yi s c a l c u l a t e di n t h et h e s i sf r o mo b s e r v e ds p e c t r u mt om e a s u r et h er e s i s t i v i t ya n o m a l o u s l y g e n e r a t e db yw a v e - p a r t i c l ei n t e r a c t i o n i ti s f o u n dt h a t ，t h et u r b u l e n c ea tl hf r e q u e n c y i n d u c e da n o m a l o u sr e s i s t i v i t yi ss u f f i c i e n tt ot r i g g e rf a s tr e c o n n e c t i o n o nt h eo t h e rh a n d ，o n eo ft h eo u t s t a n d i n gp r o b l e m si ns o l a rp h y s i c si sh o wt ou n d e r s t a n d t h em u l t i - m i l l i o nd e g r e et e m p e r a t u r eo ft h e s o l a rc o r o n a , a n dc o r r e s p o n d i n g l yt h el a r g e e n e r g yf l u xl o s tf r o mt h ec o r o n ao nt h eo r d e ro f 1 0 4w m 2i nt h ea c t i v e ，a n da b o u t 3 x1 0 2w m 。2i nt h eq u i e tr e g i o n s t h u s ，t h e r es h o u l db eah e a t i n gs o u r c et om a i n t a i nt h eh i g h t e m p e r a t u r eo ft h ec o r o n aa n db a l a n c et h ee n e r g yl o s sd u et or a d i a t i o n ，t h e r m a ld i f f u s i o na n d c o n v e c t i o n ，a sw e l la so t h e rw a y s b a s e do nw h e t h e rt h et i m e s c a l eo ft h em o t i o no ft h e f o o t p o i n t si sl o n g e ro rs h o r t e rt h a nt h es h e a ra l f v 6 nt r a n s i tt i m ea l o n gt h el o o p ，t h ep r o p o s e d h e a t i n gm e c h a n i s m sc a nb ed i v i d e di n t ot w og r o u p s ：d i r e c tc u r r e n t ( d c ) a n da l t e r n a t i n g c u r r e n t ( a c ) h e a t i n g t h ed ch e a t i n g i st h ed i s s i p a t i o no ft h em a g n e t i ce n e r g yi n c o n v e n t i o n a lj o u l eh e a t i n gp r o c e s s o nt h eo t h e rh a n d ，t h ea ch e a t i n g ，o rw a v eh e a t i n g ，i s t h o u g h tt ob ec a u s e db yw a v ee n e r g yd i s s i p a t i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，as y n t h e t i ch e a t i n gm o d e lo fs o l a rc o r o n a ll o o p sc o m b i n i n gc u r r e n t s h e e ta n dw a v eh e a t i n gm e c h a n i s m si sp r o p o s e d t h ef o r m a t i o no fs i n g u l a rc u r r e n ts t r u c t u r e s 太阳和空间等离子体中两个与波动相关的问题 s u c ha sc u r r e n ts h e e t sc a l lb ec a u s e dn o to n l yb ym a g n e t i cr e c o n n e c t i o na n df o o t o o i n t c o n v e c t i o no fc o r o n a ll o o p s ，b u ta l s oa l d nr e s o n a n c ei n d u c e db ys h e a rf l o w s o nt h eo t h e r h a n d ，w i t ht h eh a l lm a g n e t o h y d r o d y n a m i c s ( m h d ) e f f e c t ，t h ek i n e t i ca l f v d nw a v e ( k a w ) c a na l s ob ee x c i t e do ns u c hc u r r e n ts t r u c t u r e s t 1 1 e r e f o r eas y n t h e t i ce n e r g yd i s p a s s i o np r o c e s s o fb o t hc u r r e n ta n dw a v eh e a t i n gm e c h a n i s m so nt h ec u r r e n ts t r u c t u r e sm a yl c a dt ob e t t e r u n d e r s t a n d i n go f t h ec o r o n a lh e a t i n gp r o b l e m t h ec o n t e n t so ft h i st h e s i sa r ea r r a n g e da sf o l l o w s ： i nc h a p t e r1 ，b a s i ct h e o r ya n dp h y s i c a lp r o b l e mo fr e c o n n e c t i o n ，c o r o n a lp h y s i t s ，a n d r e l a t e dp l a s m aw a v e sa r ei n t r o d u c e db r i e f l y ；c h a p t e r2d e s c r i b e st h ed a t af r o mc l u s t e r , a n d t h er e l a t e da n a l y s i sm e t h o d su s e di nt h i st h e s i s ；c h a p t e r3p r e s e n t st h eo b s e r v a t i o no ft h e a n o m a l o u sr e s i s t i v i t yd u et ol o w e rh y b r i df r e q u e n c yt u r b u l e n c ei nm a g n e t o t a i ld u r i n ga r e c o r m e c f i o ne v e n t ；i nc h a p t e r4 ，as y n t h e t i cc o r o n a lh e m i n gm o d e lo nc u r r e n ts h e e t si s p r o p o s e d t h e n ，ab r i e fs u m m a r yc o n c l u d e st h et h e s i si nt h el a s tc h a p t e r k e yw o r d s ：m a g n e t i cr e c o n n e c t i o n ；c o r o n a lh e a t i n g ；a n o m a l o u sr e s i s t i v i t y ；l o w - h y b r i d w a v e ；k i n e t i ca 1 f v d nw a v e i v 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：叁芈型! 羔趱盎埠宰垦l 岛磕匝鲢透- 奎臣遭受一 作者签名： 互h 日期：毡生年l 月 大连理工大学博+ 研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题 作者签名： 导师签名： 大连理下大学博士研究生学位论文 1 绪论 1 1 日地空间物理学 太阳是离地球最近的恒星，为我们提供了足够的亮度，行星际中间的等离子体和磁 场都来源于太阳。整个太阳系都可以看做是浸在向外伸展的同冕之中。它是决定人类生 存的日地环境的母体，激烈的太阳活动及其周期变化影响和调制着人类的生存环境。不 息演化的太阳磁场在巨大的空间尺度产生不稳定性和灾变过程。太阳耀斑释放的能量相 当于几十亿次核爆炸的能量；而由磁场驱动的日冕物质抛射，每次将数十亿吨的磁化等 离子体抛入日球空间。 地球系浸泡在太阳光辐射和粒子辐射( 太阳风) 中，太阳的稳定的光辐射和粒子辐射 决定了地球附近空间环境的定常状态，太阳活动引起的光辐射和粒子辐射增强就构成了 对地球附近空间环境定常状态的扰动。这些扰动将会改变地球磁层、电离层的状态和结 构，触发磁暴、极光等地磁活动过程，从而引起人类近地空间环境的显著变化。随着太 空时代的到来，人类社会活动已越来越多地依赖于地球的空间环境。随着国际空间合作 和卫星探测技术的迅速发展，日地关系和空间气象预报正逐渐成为具有广泛国际合作空 间和应用前景的热门研究领域，也是太阳物理中最重要的应用研究课题。 从太阳表面大气层( 光球、色球、日冕) 到行星际、直至地球磁层、电离层的广大日 地空间中的大部分物质，都以等离子体的形式存在。而太阳活动将会激发太阳大气、行 星际空间和地球磁层、电离层中的各种等离子体活动现象。研究这些等离子体活动现象 的物理规律，对于进一步认识太阳活动影响人类近地空间环境的物理机制，掌握人类近 地空间环境的变化规律，建立可靠的空间气象预报模型都有着重要的科学意义。 太空物理学是空间科学的一个重要领域。它是伴随人造地球卫星进入太空而迅速发 展起来的一门新兴基础学科，是利用航天器探测研究发生在日地空间和日球层范围内物 理现象的学科。太空物理学主要研究太阳能量的产生、辐射、传播和对地球产生的影响， 包括中高层大气、电离层、磁场、空间粒子辐射和宇宙线等。太空物理学的研究，对一 个国家的国民经济建设和科学技术发展都有广泛影响，特别是对航天技术本身的完善和 提高有重要意义。人类的航天活动要大量应用太空物理学的研究成果。 从太阳耀斑到地球磁尾的不同的空间区域具有截然不同的空间特征尺度，有着许多 重要空间物理现象，如太阳耀斑、日冕加热、地磁暴、磁场亚暴等重要的现象和相关的 理论研究。鉴于我们的工作，第一章中将对日冕物理和地磁层中的磁场重联做一简要介 绍。 太r m 吐问锋离子| 【 _ 中两个j l 波动柚戈的问题 12 日冕物理 甲存2 0 0 0 多年前，1 ，田 】代l 有n 食舭洲记录。1 8 5 1 年百次订食时成助进行了 几髭j i 州。1 9 3 1 年丌始利用几冕仪在无h 食叫肌洲到| 1 冕。1 9 4 6 年行次探窄火箭珊 删到门丝r 新品辐射。从7 0 年代丌始采用高分辨牢仪器在地而和_ j 型l 。观测r 1 冕，直 s k y l a b ，i i e l i o s ，p 7 8 1s o l w i n d s m m ( s o l a rm a x i m u mm i s s i o n ) ，y o h k o h ，s o h o ( s o l a r a n d i l e l i o s p h e r i c o b s e r v a t o r y ) 刺f r a c e ( ir a n s i t i o nr e g i o na n dc o r o n a le x p l o r e r ) 等，带着配 食仪器进行舰测，刈a r i 内部到a 风做综合研究，利_ j 软碰x 射线研究h 冕活动，外 辟了探亲 f 冕的新时代1 1 。 121 太阳的分层结构 岛冲嗣 七璋 太阳 曼早群 编i 二 募 hlla 的分层示意h 摘自文献 2 f i gi 1t h en r u c t u mo f t h es u na d a p t e df r o mr e f1 2 1 太阳的坌i l 构阁l1 所示，从单到外人毁分为四个部分：核反应区、辐射区、埘流层 和太阳人气。a 刚人7l 以r 三层无法直接观测到，常被人1 称为太阳的内部结构。 人琏理i ，人学博1 研究乍学何论文 桂反腑区为太阳中心到约o2 5 只处，是高温高密度区。这单且是指太刚的半径，有 胄。= 69 6 x 1 0 8 m 1 0 9 r 川r 。指地球半径。核反应区体税仪占太阳总体积的l6 ，而质 量却占太阳总质量的、f 以 ：，温度高达1 5 0 0 一度。太阳的温度、核密度由中心向外 迅速减少。核反应区的外面从02 5 且斗08 6 r 。是辐射区，再往外是埘流区。一个太阳半 径就是指由太阳中心到埘流区的距离。 阳大气是太阳的城外层，也是唯一i f 见的层次。太阳大气中的温度、密度和磁场 等性质变化都很大，人们常常根据温度随高度的分布m 线将太阳大气分为光球层、色球 层、过渡层、和几冕，如罔i2 所示。 一p h o t o s p h e r e chron郴losph。黯i c o r o n a l 。 、俐叫7 0 。，0 d i v ( 7 9 0 a 】1 h e i ( 5 8 4 a jj 1 l d u ( 1 2 1 5 a j j 从闭12 可知，从温度极小区向f5 0 0 千米为光球层，色球崖的高度值h 人约从 2 0 0 至2 2 0 0 千米，其底部位r 温度极小m 。低色球层厚度约为4 0 0 千米，温度升始上 刊；t 巾色球层范f l l 约为1 2 0 0 千米，温度从5 5 0 0 k 缓慢升至8 5 0 0 k ；高也球厚度约为 5 0 0r 米，温度迅速升至5 0 0 0 0 k 。h 冕底部大约在h - 3 0 0 0 下米处。从色球顶部至闩冕 底部的区域为过渡区，温度从几打度陡升垒1 0 6 k 。 太阳和空间等离子体中两个与波动相关的问题 1 2 2 太阳大气光球、色球、过渡层和日冕 ( 1 ) 光球层的厚度约为5 0 0 公里，把波长名为5 0 0 a 的光学深度f 为1 所在的高度定 义为光球底部，把开始出现临边增亮的谱线( 名= 1 7 0 0a ) 的光学深度f 为l 所在的高度定 义为光球顶部 4 。在光球层，数密度很大( 1 0 1 1 c m 。3 ) ，辐射温度与等离子体温度紧密 耦合，可以假设光球处于局部热平衡的状态，即在一个特征尺度小于温度变化特征长度 的小体积元里，粒子的速度遵从m a x w e l l 分布，原子的电离态遵从s a h a 方程，原子的 激发态遵从b o l t z m a n n 分布，辐射场遵从p l a n c k 函数。在光球层，因为有吸收和散射 过程，因此光学厚度厚，辐射不全部是直接出来的，而是有一个辐射转移的过程。在基 于局部热平衡、辐射转移和静力平衡条件的光球模型中，光球底层的温度约为6 4 0 0k ， 光球上层的温度约为4 2 0 0k 5 。光球层的辐射特征是在有效温度为5 7 7 0 k 的黑体辐射 的背景下有很多条夫琅和费吸收线，如f ei ( 见6 3 0 0 a ) 吸收线。从连续谱或吸收线的辐 射强度图，可以看到米粒组织和超米粒组织。在光球活动区，还有黑子和光斑存在。 ( 2 ) 色球层在光球层上方。因为色球只能用单色光成像( 如h 。) 才能被看到，与光球 不一样( 可以直接用白光观测) ，故称为色球。色球层的顶部很难用一个球面高度来定义， 因为色球层的物质经常会在超米粒组织边界向上延伸到日冕，如针状物。一般的，把温 度t = 2 5 0 0 0k 所在的高度定义为色球层的顶部 6 】。色球处于非局部热平衡的状态，辐 射温度低于等离子体温度。色球层底部的光学厚度比较厚，但色球层顶部的光学厚度比 较薄。在基于统计平衡条件的色球模型中，色球的温度剖面有两个温度平台，第一个平台 位于1 0 0 0 公里到2 0 0 0 公里的高度之间，温度约为6 5 0 0k ，第二个平台位于2 1 0 0 公里 到2 3 0 0 公里的高度之间，温度约为2 5 0 0 0k 7 1 。色球可以用h 。线、c a i i 的h 和k 线、 n ai 的d l 线进行观测。从这些谱线的辐射强度图，可以看到色球网络组织结构，色球 网络的位置与光球超米粒组织的边界大致相符。从日面上看，可以看到色球网络上散布 着许多细长的暗日芒( 用h 。线翼观测) 。日面上的暗日芒与边缘外看到的针状物相对应。 在日面的色球活动区，还可以看到暗条和各种谱线的谱斑。日面上的暗条与边缘看到的 日珥相对应。谱斑的位置与光球活动区的黑子和光斑相符，谱斑的周围有许多亮暗相间 的短纤维结构。 ( 3 ) 过渡区过渡区在色球层上方，是从低温稠密色球到高温稀疏日冕过渡的区域。 在很小的高度范围内( 几千公里) ，温度从大约2 5 0 0 0k 陡升到1 0 6 k ，数密度从1 0 1 0 e m 。 陡降至1 0 8 c m 。过渡区的辐射特征是辐射位于远紫外波段和极紫外波段的发射线和连 续谱。 ( 4 ) | | 冕_ 几个食发f 的时候，i 以行到来自a 阳外层人7l 埘光球辐射的微划散射 光，这此敞射光具有鲑状结构，敞称外层大气为几冕，如吲13 所示，h 冕足a 阳人。l 的最外腠。从过渡层顶部，起始r 针状物z 1 j 的区域，向外一直延伸刮行星际空叫，彤 戚向外流动的太阳风。兀冕温度是百万度的量级，日随着商度的增加变化缓陧。r 冕的 土要能量损失足向下至过渡崖与色球层的热传导和向外流动的太阳风所带走的能量，相 对而占辐射损耗可以忽略。 蚓l3 7 全台n f 所拍摄的二k h 餐摘自空献r 8 f i g 3s o l a rc o f o n aa d a p t e df r o mr e f 【8 j 鲑的温度岛达1 0 6 k 以上。往这样尚的温度f ，【j 冕i 体足高度i u 离的，如f e ”+ 。 h 冕辅射乜含一利吓司的成o h 9 。笫利，是k 冕，f l i l 7 冕。 一f i m f br 舯光球辐射的 h o m s o n 敞射形成。笫二种足f 冕，i | 把和行罐际中的尘埃耗了埘光球的触射形成。 笫。f _ p 足h 冕，山f i 纪中一岛次i u 离离r 的存计跃迁辐射、禁成跃迁辅削吼搜f l r 的轫致 辐射形成j 毙分为内| | 昼和外【 冕。山l i 冕存i j 心”离23 凡、以p , j ，限区域一i 澈刑鞘 以k 觉为i ，川时ij 以丘剑【：鞋外| | 球，- 心 离23 r 、以外，限域r ，敞刖跹以1 1 太阳和空间等离子体中两个与波动相关的问题 冕为主，看不到e 冕。日冕的物理特性是通过日冕的各种辐射来了解的。日冕电子数密 度的径向变化可以通过对k 冕的强度观测推算出来。通过对e 冕多条发射线辐射强度 图的观测分析，可以诊断出日冕辐射高度处的电子温度和电子数密度。 日冕的结构比色球层观测到的结构大得多，它们有很大的垂直尺度和较大的水平尺 度。在日面上观测到的结构的平均高度是在光球之上的2 0 0 0 千米以上。大部分日冕不 能用球对称来描述。观测到的日冕结构是由冕洞这样的大尺度特征结构和活动区、分散 在日面的小亮斑以及活动区周围亮度中等的延伸扩散区所组成，而活动区和周围扩散区 可能主要有更复杂的冕环构成。日冕的结构主要包括：( 1 ) 盔状物；( 2 ) 凝聚区；( 3 ) 极羽； ( 4 ) 绕边流；( 5 ) 辐射线；( 6 ) 冕环；( 7 ) 日冕亮点：( 8 ) 冕洞。 从空间用远紫外波段和软x 光谱线成像观测获得的全日面日冕照片上，可以发现 四种主要结构。由大量密集磁环构成的活动区、日冕宁静区、高速太阳风起源的冕洞 和短寿命的x 光亮点。在色球和日冕中还有一些重要的现象，如日饵和暗条，光学耀 斑，日冕物质抛射c m e 和一些高能天体物理现象等。 1 3 磁场重联 这一节中着重介绍磁场重联的一些基本概念以及基本模型。 1 3 1 磁场重联的基本概念和经典模型 1 0 】 ( 1 ) 磁场重联的基本概念 磁场重联最常出现在磁力线于短距离内发生方向反转的等离子体( 即电流片) 中 【1 1 1 5 1 。太阳日冕、地球磁尾和磁层顶、其它行星的磁层和慧尾都存在磁场重联。磁 场重联问题的提出最初是在太阳物理中，为解释太阳耀斑爆发时释放出的大量能量， 1 9 4 6 年g i o v a n e l l i 1 6 】首先提出了磁场重联的概念，它认为在磁场强度为零的中性点或 中性线附近会出现放电现象，并可能对太阳耀斑的发生有重要影响。1 9 5 8 年d u n g e y 1 7 】 首先引入了重联( r e c o n n e c t i o n ) - - 词，随即将其应用到地球磁层中，提出了行星际磁场与 地球磁场连通的开放磁层模型，用来说明太阳风能量进入磁层的过程。后来，这一模型 又被应用到地球磁尾中，用来解释磁层亚暴的释能过程。 所谓磁场重联，是指具有有限电导率的磁等离子体中，电流片中的磁力线自发或者 被强迫断开和重新连接，伴有磁能的突然释放并转化为等离子体的动能和热能，引起带 电粒子的加速和加热。磁场重联的过程如图1 4 所示，虚线表示初始电流片的位置，它将 等离子体和磁场分隔为具有反平行磁场分量的两个区域( t = 0 ) 。由于电流片中的撕裂 模不稳定性，在t = t 0 时，初始电流片中的反平行磁场向电流片靠近，在t = t 2 时刻，反 大连理t 大学博士研究生学位论文 平行的磁力线在x 点接触，并在t = t 3 时刻磁场位型发生质变，原来接触的磁力线“断 开，重新“连接 形成两根新的磁力线。这样磁力线的断开和重新连接的过程就叫磁 场重联。通过磁场重联，在高速出流区形成各种间断和激波，加速等离子体 1 8 2 4 。 b 图1 4 磁场重联的示意图，摘自 1 0 f i g 1 4a s k e e t ho f m a g n e t i cr e e o n n e c t i o n a d a p t e df r o mr e f 1 0 】 ( 2 ) 磁场重联的经典模型 s w e e t p a r k e r 模型 s w e e t 1 3 p a r k e r 1 l 】在研究太阳耀斑活动资料的过程中，为了寻找薄电流片区域磁 场快速湮灭的机制而分别提出了这个经典模型。图1 5 中长2 ，宽2 万的矩形阴影区域为 电流片所在的位置，称为扩散区或者边界层。磁力线从扩散区上下两侧流入，并在扩散 区断开重新连接，进而从扩散区左右两侧离开扩散区。在这个过程中磁能通过焦耳加热 转化为等离子体的动能和热能。 一7 一 太阳和空间等离子体中两个与波动相关的问题 图1 5s w e e t p a r k e ry 型磁重联的模型摘自文献文献 1 0 f i g 1 5s w e e t - p a r k e rym o d e l o r i g i n a l l ys h o w ni nr e f 【lo 6 考虑定常情况，磁场被等离子体携带进入电流片的速率必须等于其向外扩散的速率，由 质量守恒得到 肛k j = 岛圪万，( 1 1 ) 式中a ，岛分别是进入和流出边界层的等离子体质量密度，k ，砭分别是等离子体进 入和流出边界层的速度。 在边界层以外的对流区中，由理想导体的欧姆定律e + v b = 0 可得 e ，= 一k 骂。( 1 2 ) 在边界层中磁场和等离子流速都是小量，且电流沿着y 方向，则由该情况下的欧姆定 律e = 7 7 j 得到，：e ，7 7 。对于稳定情况， vxe ：一罢：0 ，故e ，为常数。再对安培 讲 。 定律量纲分析得到 | v l l2 专2 v d ，( 1 3 ) 式中v d 是磁场扩散速度。 等离子体沿电流片向外流动的速度可由b e r n o u l l i 方程确定。电流片中心附近，磁场和等 离子体速度都很小，那么垂直于电流片方向上( z 轴) 和沿电流片方向上( x 轴) 由 b e r n o u l l i 方程得到： - 8 - 大连理工大学博士研究生学位论文 见= a + 东n 2 + 譬， ( 1 4 ) 见= 仍+ 丢+ 竽。 m 5 ， 考虑到k 1 ( 太阳耀斑问题尺。1 0 8 ，太阳风和地球磁层 问题疋1 0 1 1 ) 。故s w e e t p a r k e r 模型描述的是一种低重联率过程，将该模型应用于日冕， 耀斑生长时间为数十天，而不是几秒钟。s w e e t p a r k e r 模型的重联率之所以低，是因为 它要求所有参加重联的等离子体都要经过扩散区得到加速。 p e t s c h e k 模型以及其他相关模型 s w e e t - p a r k e r 模型中磁能转换主要依靠焦耳扩散过程。为了提高重联率，1 9 6 4 年 p e t s c h e k 2 5 提出了第一个快速重联模型。模型的基本出发点是：( 1 ) 仅在中性线附近的 小区域中电阻扩散才是重要的，( 2 ) 扩散区两端伴有两对慢驻激波。他认为如果有驻激 波存在并与扩散区相联结，等离子体可以不必全部通过扩散区而是通过激波得到加速。 当然，为实现磁重联，扩散区仍然是必不可少的，但其空间尺度可大为缩小，从而使重 联率增高。 p e t s c h e k 模型也是二维结构，其磁场和流场的位形如图1 6 所示。图中扩散区已缩 小为位于中心的一个小圆点，经过它的等离子体流量几乎可以忽略；从扩散区向外伸出 一对对称的驻激波( 慢激波) ，图中用虚线表示，其与工轴的夹角为f 。扩散区以外称为 对流区，对流区中m h d 理论近似成立，而驻激波绝大部分处于对流区内。通过激波后， 磁场( 细实线) 与流场( 粗实线) 的方向和大小都发生突变，磁场强度下降，等离子体流速 太阳和空间等离子体中两个与波动相关的问题 增大，但其沿激波法向分量减小。这是由于慢激波也是电流片，其作用在于使磁场突变 并通过安培力j b 加速等离子体。 图1 6p e t s c h e k 重联模型示意图，摘自文献 2 6 f i g 1 6a s k e c t ho f p e t s c h e km a g n e t i cr e c o n n e c t i o nm o d e l a d a p t e df r o mr e f 【2 6 1 在如图所示的参照系中，激波是稳态的。紧靠激波两侧，磁场和流场向量可视为均匀场。 在等离子体参照系中慢激波以入流a 1 f v 6 n 波速u ，：- 7 垦一沿磁力线传播，它在激波锋 q p o p i 面法线方向上的分量应与入流垂直于激波面的速度分量相等： v ，s i n ( z 一孝) = c o s f ， z 为入流区的磁力线与x 轴的夹角。对于定常态，仍要求有y 方向的均匀电场 互= u i 忍c o s z = u 0 8 0 = e o 。 另外，b 在激波法线方向的分量应该是连续的，因此 es i n ( z 一孝) = 玩c o s 孝。 由( 1 8 ) ( 1 1 0 ) 得到 材。：u , _ c o _ s 孝c 百o s 2 ：v mc o s z 。 s l n ( z 一言j 于是，同s w e e t p a r k e r 模型类似，出流速度与入流a l f v 6 n 速度也为同一数量级。 ( 1 8 ) ( 1 9 ) ( 1 1 0 ) ( 1 1 1 ) 大连理工大学博士研究生学位论文 将质量守恒应用于慢激波，有 尼c o s 孝= 岛s i l l 孝，( 1 1 2 ) 由( 1 11 ) 和( 1 1 2 ) 式可得 t a n z ：t a i l 孝( 1 + 旦) ，( 1 1 3 ) p i 和 丝：! 訾，(1“)iv ，刎1 + 丛 、 岛 按激波的方向性岛屏1 有辟 p o ，故p e t s c h e k 定常磁重联率r 满足 s i n z 2 r = 嵋圪f s i n z ， ( 1 1 5 ) 因而p e t s c h e k 模型的重联率较s w e e t p a r k e r 模型显著提高。这是因为绝大部分等离子体 是通过激波获得加速的，入流速度u ，大为提高。慢激波在磁能向动能转化的过程中起了 重要作用。更严格的数学处理可得到p e t s c h e k 模型的最大重联率， 鸠一2 击。 ( 1 1 6 ) 这样，在空间等离子体中，得出的重联率要比s w e e t p a r k e r 重联率大很多，典型值可以 达到1 1 0 ，因此p e t s c h e k 模型是一种有效的重联机制。 其他改进模型： s o n n e r u p 改进模型：1 9 7 0 年s o n n e r u p 2 7 通过在慢激波的上游区引进一对快激波对 p e t s c h e k 模型作了改进。磁场和等离子体先通过快激波被压缩，并得到偏折和加速，然 后再通过慢激波，从而进一步提高了重联率。在s o n n e r u p 的模型中，快激波的位置是 由外部边条件确定的。这一点非常重要，它说明重联是一个能由外部条件控制的过程，