太阳耀斑非热电子动力学研究

主要讨论太阳耀斑过程中非热电子动力学过程的理论模型以及在硬X射线和射电波段的观测特征。现在广为接受的非热电子动力学过程的模型是"俘获+沉降"模型,由电子的加速、注入、沉降、俘获及能量损失5个部分组成。射电和硬X射线爆发是非热电子在输运过程中与磁场、背景等离子体及其产生的波等相互作用的产物,是非热电子动力学过程的即时反映。通过分析射电和硬X射线辐射的流量、谱和成像特征,可以研究非热电子的空间分布和时间演化,研究非热电子输运过程中发生的碰撞、辐射、散射、波-波、波-粒相互作用等物理过程,研究耀斑磁场、背景等离子体特征,进而为太阳耀斑的磁场结构、太阳大气分布、磁重联模型的研究提供理论和观测依据。     

日冕三重无力场电流片的磁场重联

采用二维三分量磁流体力学模型,对日冕三重无力场电流片的磁场重联进行了数值研究,揭示了重联过程的基本物理特征．这类重联过程将加热和加速日冕等离子体,并导致多个高温、高密度、高磁螺度的磁岛的形成和向上喷发．这表明,多重无力场电流片的重联可能在日冕磁能释放、上行等离子体团的形成和太阳磁场螺度向行星际空间的逃逸方面起重要的作用．     

磁云传播的动力学演化过程研究进展

磁云因其独特的磁场结构经常是重大灾害性空间天气的驱动源. 近来从磁云的边界层结构、环向通量、大尺度结构等方面关于磁云传播的动力学演化过程的研究取得了一些进展. 在磁云边界存在一个由于磁场重联而形成的边界层结构. 在磁云传播过程中, 这种发生在边界处的磁场重联可能会把磁云的磁场剥蚀掉, 进而引起其磁通量绳结构环向通量的减少以及不对称. 在磁云内部, 经常会观测到多个子通量绳结构. 这些特性各异的子通量绳可以通过磁场重联而合并, 进而引起磁云磁结构的改变. 关于磁云大尺度磁场拓扑位形的演化机制, 除了较早提出的交换重联外, 目前的研究表明在行星际空间中, 磁云边界处的重联过程也可以将磁云闭合或半开放的磁场线打开或断开. 尽管在相关研究中已经取得了较大进展, 但关于磁云传播的动力学演化过程还有许多问题尚不清楚. 在行星际小尺度磁通量绳边界也发现了边界层结构, 那么磁云是否会因剥蚀而成为小尺度通量绳? 磁云内子通量绳结构在相互作用中会不会引起某些不稳定性而导致整个通量绳系统的崩溃? 这些问题的解决还有待于进一步的理论、观测和数值模拟研究.     

日冕三重无力场电流片的磁场重联

采用二维三分量磁流体力学模型,对日冕三重无力场电流片的磁场重磁联进行了数值研究,揭示了重联过程的基本物理特征,这类重联过程将加热和加速日冕等离子体,并导致多个高温、高密度、高磁螺度的磁岛的形成和向上喷发,这表明,多重无力场电流片的重联可能在日冕磁能释放、上行等离子体的形成和太阳磁场螺度向行星际空间的逃逸方面起重要的作用。     

磁云传播的动力学演化过程研究进展

磁云因其独特的磁场结构经常是重大灾害性空间天气的驱动源.近来从磁云的边界层结构、环向通量、大尺度结构等方面关于磁云传播的动力学演化过程的研究取得了一些进展.在磁云边界存在一个由于磁场重联而形成的边界层结构.在磁云传播过程中,这种发生在边界处的磁场重联可能会把磁云的磁场剥蚀掉,进而引起其磁通量绳结构环向通量的减少以及不对称.在磁云内部,经常会观测到多个子通量绳结构.这些特性各异的子通量绳可以通过磁场重联而合并,进而引起磁云磁结构的改变.关于磁云大尺度磁场拓扑位形的演化机制,除了较早提出的交换重联外,目前的研究表明在行星际空间中,磁云边界处的重联过程也可以将磁云闭合或半开放的磁场线打开或断开.尽管在相关研究中已经取得了较大进展,但关于磁云传播的动力学演化过程还有许多问题尚不清楚.在行星际小尺度磁通量绳边界也发现了边界层结构,那么磁云是否会因剥蚀而成为小尺度通量绳?磁云内子通量绳结构在相互作用中会不会引起某些不稳定性而导致整个通量绳系统的崩溃?这些问题的解决还有待于进一步的理论、观测和数值模拟研究.     

磁场重联实验室模拟进展

磁场重联是空间等离子体和实验室等离子体中的常见现象,被认为是太阳耀斑和磁层亚暴的重要机制。实验室磁场重联的模拟研究已经有二十余年的历史,并且取得了一系列重要的结果。对几个主要的磁场重联实验装置进行了介绍,给出了各个装置的等离子体参数以及产生重联的方法,回顾了实验室研究中和太阳射电密切相关的几个问题。另外,以中国科技大学的线性磁化等离子体装置为基础,建立了国内首个磁场重联的实验装置,研制了实验中需要的诊断工具,并开展了初步的磁场重联实验。     

磁塌缩不稳定与自生间歇磁流

太阳和天体物理吸积盘中的场是一种空间间歇的磁流。在整个太阳上都可发现这种间歇磁流片，其中光球上90%以上的磁流呈现为强场形态，其强度为0.1-0.2T，大小为50-300km；在吸积盘中，已知脉动磁场比宏观磁场强几个数量级。磁场的重联湮灭，导致在薄电流片区形成小尺度的磁环胞以及同涨的横等离激元。磁流和等离激元之间的非线性相互作用引起自类似塌缩，形成更为空间间歇的塌缩的磁环元胞。而横等离激元诱发的自生磁场具有调制不稳定性，导致磁场塌缩，形成高度间歇的磁流。分别在磁流力学和等离子体动力论两种情况下，分析了这种磁塌缩不稳定性，并用于解释太阳上的间歇磁流以及寻求天体物理吸积盘中的反常粘滞。     

等离子体团型日冕物质抛射的形成机制

本文在球坐标二维磁静力平衡基态下，数值研究了电阻撕裂模不稳定性引起日冕电流片中发生磁场重联的过程，结果表明发生了具有两个Ｘ线的磁场重联，形成了磁岛和高温高密度的等离子体团，等离子体团在向上运动过程中有着明显的膨胀，其上升速度和膨胀过程与等离子体β值有关，这些结果可用于解释等离子体团型日冕物质抛射的形成。     

太阳射电微波爆发及其精细结构研究进展

太阳射电微波爆发携带着爆发源区的物理环境及辐射机制等诸多重要信息。其辐射频段较高，通常来自低日冕磁重联区，尤其是微波爆发的精细结构，持续时间短、变化快、结构复杂，可以反映重联过程复杂的磁场结构、高能粒子运动等许多特征。综述了太阳微波射电爆发分类研究的3个主要阶段，介绍了每一阶段的重要爆发类型、物理机制研究及相应的观测设备，讨论了进一步研究的方向。     

太阳大气等离子体的电流研究

该文讨论了太阳大气等离子体中电流的成因和对各种爆发活动的作用和影响,对目前的研究现状和存在的问题进行了分析讨论,指出虽然磁场是太阳物理观测和研究的关键要素,但是电流也是理解能量的传输与耗散、不稳定性的驱动和激发、等离子体的加热和粒子加速等太阳物理过程的重要概念.该文还提出了一个定性的改进电路模型,认为电流主要产生于太阳内部的发电机过程,同时电路在日冕部分的环形磁场位型也将产生部分新经典电流,通过磁通量管流入太阳大气,并在日冕区域通过磁场重联等过程释放能量.对该模型尚待解决的问题也进行了简单讨论.     

太阳爆发过程中的大尺度磁重联电流片:理论和观测

从理论和观测两个方面来介绍和讨论出现在太阳爆发过程中的磁重联电流片及其物理本质和动力学特征。首先介绍在理论研究和理论模型中,磁重联电流片是如何在爆发磁结构当中形成并发展的,对观测研究有什么指导意义。然后介绍观测工作是从哪几个方面对理论模型预测的电流片进行证认和研究的。第三,将介绍观测研究给出了哪些过去所没有能够预期的结果,这些结果对深入研究耀斑一CME电流片以及其中的磁重联过程的理论工作有什么重要的、挑战性的意义。第四,讨论最新的与此有关的理论研究和数值实验。最后,对未来的研究方向和重要课题进行综述和展望。     

实验室模拟磁力线重联的初步结果

在中国科学技术大学的线性磁化等离子体装置上,通过对两个平行电流板施加同向电流,实现重联磁场位型的构造,进而开展实验室等离子体中磁力线重联过程的研究.利用发射探针测量了重联过程中的平行(轴向)电场,实验验证了重联电流与通行粒子的依赖关系.利用磁探针测量了磁场通量的演化,未发现通量堆积现象,与数值预言相符.     

无碰撞重联区中的混沌感应电阻

无碰撞磁场重联作为一种将磁能有效转化为等离子体动能和热能的机制,已经被广泛应用于解释太阳耀斑、地球磁暴等各类等离子体的爆发活动.然而,在无碰撞重联区中反常电阻的微观物理机制仍然是尚未解决的基本问题.在众多反常电阻的形成机制中,基于磁零点附近粒子轨道混沌性产生的混沌感应电阻,虽然不是最普遍流行的形成机制,但它的微观物理图像却是最为清晰的.回顾了无碰撞重联区中混沌感应电阻的早期研究和基本理论模型,介绍了关于混沌感应电阻研究的新进展并阐述了混沌感应电阻未来的研究方向.     

激光驱动亥姆霍兹电容线圈靶磁重联实验的数值模拟

激光驱动亥姆霍兹电容线圈靶的磁重联实验已经提出并进行了多年.当实验中的金属板被强激光照射时产生自由电子,这些自由电子的运动在连接两金属板的两个平行线圈中产生电流,由两个平行线圈内部电流产生的磁场之间随即发生重联.该实验不同于其他直接由Biermann电池效应所产生高β(等离子体热压与磁压的比值)环境下的磁重联实验.对该类实验进行了3维磁流体动力学数值模拟,首次展示了亥姆霍兹电容器线圈靶如何驱动磁重联的过程.数值模拟结果清楚地表明,磁重联的出流等离子体在线圈周围发生与实验结果相一致的堆积现象.线圈电流产生的磁场可高达100 T,使得磁重联区域周围的等离子体β值达到10^-2.与实验室结果进行比较,数值模拟重复了实验展示的大多数特征,可有助于深入认识和理解实验结果背后的物理学原理.     

辐射磁流体力学数值实验研究(代前言)

辐射磁流体力学(RMHD)是磁流体力学和等离子体物理学一个新的分支,它研究与辐射有显著能量和/或动量交换的磁流体动力学行为。天体辐射磁流体力学描述天体等离子体在宏观尺度上的电磁相互作用、结构、辐射、动力学和爆发现象。"天体辐射磁流体力学"是中国科学院数理学部2015—2016年度所支持的一个学科发展战略研究项目,其目的是评估这一生长中的学科分支的发展态势、国内外研究现状、适用的主要科学对象和发展战略,重点设定在三维数值模拟研究,或广义而言,数值实验研究。为了推动RMHD三维数值实验研究,这一专卷收入了天体物理学、太阳和空间物理学、受控等离子体实验等领域关于RMHD研究的部分调研和评述报告。     

高能天体物理中关于小尺度无序磁场的若干物理过程

小尺度无序磁场普遍存在于高能天体的爆发过程中。在明确了小尺度的物理条件后,详细描述了近年来国际高能天体物理研究领域中和小尺度无序磁场相关的湍流、激波、等离子体不稳定性和磁重联等前沿问题,并相应介绍与小尺度无序磁场相关的粒子加速和辐射过程的最新进展。介绍的内容主要是基于流体或磁流体计算机数值实验得到的结果,对部分计算程序也做了简单介绍。最后,提出在这一领域开展研究工作的一些建议。     

太阳宏观电场测量进展

太阳耀斑爆发时,日冕中磁自由能通过磁重联在短时间内转换成其他形式的能量,并伴随等离子体的加速和加热,以及带电粒子的加速。在这些过程中,宏观电场的出现起到关键的作用。但是到目前为止,由于太阳上宏观电场的探测比较困难,对电场的研究较少。近几年来随着一系列空间探测卫星被投入使用,加深了人们对日地空间事件发生、发展的物理过程的认识。但是太阳爆发和日冕加热机制等磁活动现象没有得到本质上的认识。太阳宏观电场的探测对突破这一瓶颈具有重要作用。综述了国内外在太阳宏观电场测量上的进展,并提出中国巨型望远镜(ChineseGiant Solar Telescope)在宏观电场观测上可能的科学目标。     

准开放磁场线区域模型

为了解释日冕中高能电子束和太阳耀斑中的快速过程,本文提出在活动区双极黑子上空存在一个准开放磁场线区域的定性模型。如图1所示,准开放磁场线区域被确定在开放磁场线下面和耀斑环顶部之间。 由于那里的快速磁重联或撕裂、爆炸式的能量释放引起了区域性的等离子体加速。那些被加速到10—100keV的高能电子束沿着开放的磁场线从太阳大气等离子体逃逸到行星际等离子体中。在每个连续的高度上将产生朗缪尔波等离子体辐射。朗缪尔波同低     

日冕亮点的观测特征和供能机制

该文通过综述相关研究成果,对日冕亮点的观测特征和供能机制进行了总结和评论.日冕亮点是发生在过渡区和低日冕的小尺度局地增亮现象,经常在X射线和极紫外波段观测到,其寿命在5～40 h之间.日冕亮点的产生和演化与双极磁场的相互作用紧密相关.对于日冕亮点的供能机制,目前主要存在三种观点:(1)磁场对消的观点,当不同极性的磁场区域相互靠近时,局地发生磁重联,并在重联区域加热等离子体,从而导致X射线和极紫外辐射的增强;(2)分隔线重联,与日冕亮点相联系的磁场结构可以形成分隔线重联位形,沿分隔线的快速磁场重联导致过渡区和日冕局地的等离子体被加热,从而产生日冕亮点;(3)光球水平运动所诱发的电流片为亮点提供了能量来源.近期研究表明,三种机制可能同时作用,为亮点提供所需的能量.     

太阳耀斑研究的新进展(英)

近年来对太阳耀斑的研究取得了重要的进展。一些新的发现主要来自高分辨率的观测，特别是来自"阳光"卫星的结果。综述的范围包括太阳耀斑中磁重联的新证据、硬X射线源（包括所谓的超热源）的分类、X射线喷流的发现、环－环相互作用的证据以及对耀斑大气动力学过程的新认识等。基于这些新的知识，讨论了有关耀斑模型的一些问题。