太阳大气中磁重联的MHD数值模拟

回顾了近３０年太阳大气中磁重联过程的ＭＨＤ数值模拟工作取得的进展。着重描述了在验证理论模型,解释观测现象,以及研究各种因素对重联的影响三个方面的成果,如快速磁重联,太阳耀斑机制及色球,日冕中的各种爆发现象等。指出了在数值模拟中应注意的几个问题,并对该领域今后的发展作了简要的展望。     

太阳大气中自发磁重联的数值模拟(Ⅱ)重力、热传导下二维三分量的计算结果

在无力场中引入反常电阻,数值模拟电阻撕裂模不稳定性引起的均匀重力场中的二维三分量磁重联过程．首先研究了Vc（反常电阻模型中的临界漂移速度）和β0（气压磁压比）对磁重联的影响,结果表明：（1）在Vc大的情况下,重联率开始很小,但最终出现爆发现象．另外,温度的增加不如Vc小的情况明显。（2）Vc相同而β0不同的情况具有相似的演化特征,但β0越小,动力学过程越剧烈。（3）Vc大巨β0也大的情况不能产生爆发现象．还研究了各向同性热传导对磁重联过程及扩散区结构的影响．结果表明热传导加快磁重联速率．在无热传导的情况中,开始时温度增加迅速,重联率较低,但最终出现磁重联率迅速上升的现象．对上述结果及其在解释耀斑、日冕物质抛射及冕流等太阳大气现象方面进行了讨论．     

太阳大气中矢量磁场分层结构的诊断

首先考察了谱线形成深度理论及其在诊断太阳大气中矢量磁场分层结构方面的应用,指出了分别与贡献函数和响应函数相关的方法的优缺点,然后用理论斯托克斯轮廓观察各轮廓参量沿视线方向梯度对轮廓尤其是它的对称性和极值点的影响,在此基础上提出了基本假设使偏振辐射转移方程在极值点得到极大的简化而创立了一种不依赖形成深度理论的新方法。它由四个操作构成,将其中三个操作作循环处理便可得到位于所考虑的沿深度方向格点化的层次上的各轮廓参量及表面以下不能观测到的斯托克斯轮廓。整个推导采用层层往下递推模式,导出的结果以矢量磁场尤其是场强大小最令人满意。作者分别用理论轮廓和实测轮廓作了拟合,结果发现拟合轮廓在所利用的谱线非远线翼部分与被拟合轮廓相符较好,能导出比较复杂的磁结构。但本方法也存在导出的深度范围不广及推导表面不能精确定位等问题。     

太阳大气中自发磁重联的数值模拟：（Ⅱ）重力,热传导下二维三分量的 …

在无力场中引入反常电阻,数值模拟电阻撕裂模不稳定性引起的均匀重力场中的二维三分量磁重联过程。首先研究了Ｖｃ和β０对磁重联的影响,结果表明：（１）在Ｖｃ大的情况下,重联率开始很小,但最终出现爆发现象。另外,温度的增加不如Ｖｃ小的情况明显;（２）Ｖｃ相同而β０不同的情况具有相似的演化特征,但β０越小,动力学过程越刷烈;（３）Ｖｃ大且β０也大的情况不能产生爆发现象。还研究了各向同性热传导对磁重联过程及扩     

太阳大气中矢量磁场分层结构的诊断

首先考察了谱线形成深度理论及其在诊断太阳大气中矢量磁场分层结构方面的应用,指出了分别与贡献函数和响应函数相关的方法的优缺点,然后用理论斯托克斯轮廓观察各轮廓参量沿视线方向梯度对轮廓尤其是它的对称性和极值点的影响,在此基础上提出了基本假设使偏振辐射转移方程在极值点得到极大的简化而创立了一种不依赖形成深度理论的新方法。它由四个操作构成,将其中三个操作循环处理便可得到位于所考虑的沿深度方向格点化的层次上     

太阳耀斑磁重联的数值模拟

数值模拟了太阳耀斑中二维磁重联过程。结果表明,当重联Ｘ 点比较高时,演化过程能再现双带耀斑中耀斑环的运动等主要特征;当重联Ｘ 点比较低时,可解释致密耀斑的观测特征。结果还表明,耀斑环上升和重联点上升之间没有直接的联系。     

关于磁声重力波传播性质的探讨

本文对充满垂直均匀磁场的等温大气内的磁声重力波做了严格的解析分析,并将其通解表述成广义超几何函数的形式。该解可用于对磁大气内振荡现象的进一步数值模拟研究。对解的分析澄清了若干磁声重力波的传播性质。     

磁弧剪切动力学的一个精确解

我们在文[1]里对磁弧剪切作了数值解,得到了剪切速度ω和磁场B_z的分析解,但对二维速度(u,v)的振幅占δ′/ζ仅有只依赖于时间的近似解。本文在密度为常数条件下得到了磁弧剪切在线性演化阶段的较精确的解析解,比较了密度为常数和密度重力分层两种情形下的数值解,证实当β(=气压/磁压)很小(量级为10~(-2))时两者差别不大,因此本文结果近似可用于密度不为常数的实际太阳大气中的磁弧剪切动力学过程。解析解的主要结果是导出振幅δ′/ζ的高度依赖关系:随着时间增加,振幅δ′/ζ随高度下降越来越慢。这导致磁弧顶越升越高而脚根基本上不朝外移动,这样闭合的磁弧将有可能逐渐变为开场。     

太阳大气中环状结构的形状

根据力平衡条件,求得了与静止分层大气中一条孤立细磁通量管形状有关的一个积分,(1-M_a~2)Bcosθ=const.,这里M_a是阿尔芬马赫数,B是磁场强度,θ是管切向与水平方向的夹角,并简单地讨论了这个积分在等温与静平衡条件下的应用.     

耀斑环动力学的数值研究

数值模拟了太阳耀斑环动力学演化的二维磁重联过程。结果表明,在重联Ｘ 点比较高时,演化过程能再现双带耀斑中的耀斑环活动;而重联Ｘ 点比较低时,演化情况能解释致密耀斑的观测特征     

新浮磁流区的观测和分析

本文利用紫金山天文台的太阳精细结构望远镜在1991年10月至1992年6月间拍摄到的标准新浮磁流区(EFR)的资料,研究了四个EFR的生长和发展。我们的观测肯定了新浮磁流区早期的一些观测结果,如EFR从光球下浮出前色球大气就已被加热,以及引起磁场位形改变导致暗条激活。我们还发现反转磁极性的EFR并不向正常方向旋转,观测到EFR中的弧形暗条系(AFS)里除了正常的流动外,还具有和经典的AFS中物质流动相异常的运动。     

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.     

经自适应网格改造后的SHASTA程序和磁重联数值实验

SHASTA(Shaarp and smooth Transport Algorithm)是求解二维磁流体动力学问题的单一网格程序.在将其用于磁重联问题的数值模拟时,它被修改成为采用自适应网格方法的程序.修改后的程序可以针对扩散区进行细化计算.在SHASTA程序的自适应计算实现过程中,采用了插入式的自适应修改策略,原二维磁流体力学偏微分方程的求解算法被作为独立单元使用.另外,修改中使用分层的数据结构,将每个细化层次的物理量用二维可变数组描述,并标记磁场和压强分布的陡变区为细化区域,再通过插值的方法得到细化层网格点上的物理量分布和边界条件,最后细化区域的细化计算结果被赋予给其上一层网格,并对其内容进行更新.采用细化计算进行的磁重联的模拟实验表明,相比单一网格计算,细节分辨率得到提高,相应的计算时间的增加则与模拟中的参数选择有关;而自适应程序部分带来的计算精度和稳定性的影响则依赖于边界设置,单步长的推进策略和插值算法.     

太阳大气中动力学阿尔文波的产生与加热研究进展

动力学阿尔文波是垂直波长接近离子回旋半径或者电子惯性长度的色散阿尔文波.由于波的尺度接近粒子的动力学尺度,动力学阿尔文波在太阳和空间等离子体加热、加速等能化现象中起重要作用.因此,动力学阿尔文波通常被认为是日冕加热的候选者.本研究工作深入、系统地调研了太阳大气中动力学阿尔文波的激发和耗散机制.基于日冕等离子体环境,介绍了几种常见的动力学阿尔文波激发机制:温度各向异性不稳定性、场向电流不稳定性、电子束流不稳定性、密度非均匀不稳定性以及共振模式转换.还介绍了太阳大气中动力学阿尔文波的耗散机制,并讨论了这些耗散机制对黑子加热、冕环加热以及冕羽加热的影响.不仅为认识太阳大气中动力学阿尔文波的驱动机制、动力学演化特征以及波粒相互作用提供合理的理论依据,而且有助于揭示日冕等离子体中能量储存和释放、粒子加热等能化现象的微观物理机制.     

耦合热传导的磁重联的数值模拟

磁重联被认为是太阳耀斑的产生机制,本文数值模拟在日冕中发生在磁重联过程,结果表明耀斑环的表观运动是磁重联的自洽结果;由重联点发出的慢激波对耀斑环的加热有贡献;耀斑环的上升并不意味着重联点的上升。     

日冕中无衰减振荡的研究进展

日冕中冕环的无衰减横向振荡(简称无衰减振荡)自2012年被发现以来,受到了广泛的关注.无衰减振荡具有在日冕中广泛存在以及振幅无明显变小的特性,使之在解释日冕加热和冕震学诊断上都具有相当的潜力.总结了日冕中无衰减振荡的研究进展,包括观测研究得到的一系列结果、提出的理论和数值模型以及基于无衰减振荡进行冕震学诊断的一些尝试,并且展望了未来可以进一步开展的研究.