太陽大氣多尺度噴流及相關(guān)的能量轉(zhuǎn)換與輸運(yùn).pdf

1、噴流(Jet)是太陽大氣中最常見的爆發(fā)活動(dòng)之一。它們的爆發(fā)，代表著色球?qū)酉蛉彰嶂凶⑷肓烁邷氐入x子體。它們的發(fā)生常伴隨著磁場重聯(lián)，代表著太陽大氣磁場能量的釋放和色球?qū)酉蛉彰岬哪芰枯斶\(yùn)。同時(shí)，噴流在觸發(fā)的過程中還經(jīng)常伴隨著耀斑、日冕物質(zhì)拋射和射電暴事件，引起空間天氣的變化和地球磁場的擾動(dòng)。因此，研究太陽大氣噴流不僅能夠加深我們對(duì)太陽的磁場結(jié)構(gòu)、演化、日冕加熱等關(guān)鍵問題的理解;還能有助于我們了解耀斑、日冕物質(zhì)拋射和高能粒子事件的爆發(fā)機(jī)制，增強(qiáng)

2、我們預(yù)報(bào)空間天氣變化的能力。
　　然而，由于缺乏高精度的觀測手段，關(guān)于噴流的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征、能量轉(zhuǎn)換過程以及它們與太陽大氣波動(dòng)的相互作用、對(duì)日冕加熱和太陽風(fēng)加速的貢獻(xiàn)等問題仍然很不清楚。我們將太陽大氣中的噴流分為大尺度噴流和小尺度噴流兩類。其中大尺度噴流指的是太陽日冕中觀測到的、從底部大氣噴發(fā)的、偶發(fā)的、（時(shí)常）伴隨明顯耀斑的大量等離子體物質(zhì)（長度經(jīng)常為幾十到數(shù)百兆米）噴發(fā)現(xiàn)象。而小尺度噴流則指的是太陽色球?qū)拥饺彰嶂袕V泛存在的、具有準(zhǔn)

3、周期性的、小尺度的等離子體物質(zhì)噴發(fā)現(xiàn)象。在本論文中，我們將分別從大尺度噴流和小尺度噴流的角度系統(tǒng)地展開對(duì)太陽大氣噴流細(xì)致而深入的研究，以冀能夠在一定程度上增加我們對(duì)太陽大氣噴流現(xiàn)象和規(guī)律的認(rèn)識(shí)。
　　1、大尺度噴流的動(dòng)力學(xué)過程前人的研究表明，太陽大氣大尺度噴流由底部的磁場重聯(lián)觸發(fā)。磁場重聯(lián)不僅加熱了噴流等離子體，還為噴流提供了初始的動(dòng)能。然而，在重聯(lián)結(jié)束之后噴流仍然可以上升到一個(gè)高于它的初速度所能達(dá)到的不尋常的高度。以前的研究專注

4、于噴流的觸發(fā)機(jī)制，很少涉及到噴流觸發(fā)之后的能量過程。我們首先利用SDO AIA和STEREO EUVI的多角度、多波段觀測，對(duì)一個(gè)日冕大尺度極紫外噴流做了詳細(xì)的動(dòng)力學(xué)分析。我們發(fā)現(xiàn)，在磁場重聯(lián)之后，由于磁場解旋所帶來的洛倫茲力為噴流提供持續(xù)的向上推動(dòng)力。在整個(gè)噴流過程中，噴流從解旋過程所獲得的動(dòng)能是從磁場重聯(lián)中獲得的動(dòng)能的1.6倍。同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)，磁場的解旋過程使得噴流能夠保持不斷的旋轉(zhuǎn)。噴流的旋轉(zhuǎn)速度和周期在它上升和下降的過程中幾乎沒有

5、任何減小的跡象。最后我們分析了噴流所攜帶的能流，我們發(fā)現(xiàn)，即使噴流的能量只有2％發(fā)生了耗散，也足夠加熱當(dāng)?shù)氐牡入x子體。因此我們相信，大尺度噴流有可能對(duì)加熱局地日冕有所貢獻(xiàn)。
　　基于以上的結(jié)果，我們進(jìn)一步分析日冕大尺度噴流過程中磁場能量釋放的規(guī)律。同樣利用SDO AIA和STEREO EUVI的多角度、多波段觀測，我們呈現(xiàn)了太陽雙生噴流的首次觀測分析和數(shù)值模擬。一個(gè)太陽大尺度噴流作為前導(dǎo)噴流被觸發(fā)，并表現(xiàn)出了典型的井噴式(Blow

6、out)噴流的特征。對(duì)這個(gè)前導(dǎo)噴流的運(yùn)動(dòng)過程和動(dòng)力學(xué)能量的分析表明，磁場重聯(lián)之后的磁場解旋過程注入到噴流的動(dòng)能是磁場重聯(lián)注入的動(dòng)能的1.6倍。然而，整個(gè)過程到這里還沒有結(jié)束。在前導(dǎo)噴流即將回落到達(dá)日面的時(shí)候，它的附近同時(shí)出現(xiàn)了兩個(gè)細(xì)小的大尺度噴流。所有的觀測證據(jù)都表明這兩個(gè)細(xì)小的噴流源于同一個(gè)觸發(fā)過程——它們是雙生噴流。三維磁流體力學(xué)數(shù)值模擬的結(jié)果表明，在前導(dǎo)噴流的爆發(fā)過程中形成了一個(gè)S形的磁場結(jié)構(gòu)。這個(gè)S形的磁場結(jié)構(gòu)的兩臂與背景磁場的

7、進(jìn)一步重聯(lián)，觸發(fā)了我們觀測到的雙生噴流。雙生噴流代表磁場能量在重聯(lián)和解旋之后的進(jìn)一步的自由能釋放，使得我們對(duì)噴流的能量釋放以及太陽局部磁場演化規(guī)律的認(rèn)識(shí)更近了一步。
　　另一方面，大量研究表明大尺度噴流和太陽耀斑保持了密切的關(guān)系。然而，噴流與日冕物質(zhì)拋射是否有關(guān)聯(lián)呢？噴流是否只是太陽大氣中的“無害”活動(dòng)而不會(huì)引起近地空間環(huán)境的劇烈變化呢？通過利用SDO、STEREO和SOHOLASCO的極紫外、白光日冕的多角度觀測，我們分析了一個(gè)

8、觸發(fā)了高速日冕物質(zhì)拋射的噴流事件。這個(gè)被觸發(fā)的日冕物質(zhì)拋射的徑向速度超過了每秒1000公里，對(duì)太陽風(fēng)以及行星際環(huán)境造成劇烈的擾動(dòng)。而觸發(fā)了日冕物質(zhì)拋射的噴流位于日冕物質(zhì)拋射的正下方，是它的爆發(fā)推動(dòng)了上方泡狀體的運(yùn)動(dòng)并最終導(dǎo)致了日冕物質(zhì)拋射的爆發(fā)。磁場和極紫外的觀測表明，這個(gè)大尺度噴流是由一個(gè)典型的三維磁零點(diǎn)的磁場重聯(lián)觸發(fā)的，為大尺度噴流的三維磁場重聯(lián)理論提供了重要的觀測證據(jù)。我們同時(shí)發(fā)現(xiàn)噴流的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)存在明顯的減速行為。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的減速過

9、程可能是由于噴流底部的初始磁場結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的，也可能是噴流的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能傳遞給了日冕物質(zhì)拋射——具體的機(jī)制還需要更多的觀測證據(jù)和分析。
　　2、小尺度噴流與大氣波動(dòng)的相互作用小尺度噴流包括Ⅰ類針狀物、Ⅱ類針狀物和日冕中的準(zhǔn)周期性物質(zhì)流。前人的研究表明，日冕中的準(zhǔn)周期性物質(zhì)流動(dòng)是色球?qū)又械蘑蝾愥槧钗镌谌彰嶂械谋憩F(xiàn)結(jié)果。而Ⅱ類針狀物的爆發(fā)機(jī)制與前面所述的大尺度噴流的爆發(fā)機(jī)制完全一致，都是起源于足點(diǎn)處的磁場重聯(lián)。研究表明準(zhǔn)周期性物質(zhì)流動(dòng)在日冕（

10、包括冕環(huán)）中是廣泛存在的，我們?cè)噲D研究它們是否會(huì)和日冕中同樣廣泛存在的類阿爾芬波產(chǎn)生相互作用。眾所周知，類阿爾芬波攜帶了足夠的能流用于加熱日冕，那么它們的波動(dòng)能量是如何損耗的呢？如果周期為3-5分鐘、速度為600kms-1的類阿爾芬波在日冕傳播的過程中遇到了周期更長（15分鐘）、速度更慢(100kms-1)的準(zhǔn)周期性的密度增強(qiáng)（小尺度噴流），就會(huì)發(fā)生一系列的波動(dòng)的反射和透射。進(jìn)而引起波動(dòng)的串極效應(yīng)，形成類阿爾芬波湍，造成波動(dòng)能量的損失和

11、對(duì)局地日冕的加熱。那么這種情況是否真實(shí)存在呢？通過研究37個(gè)冕環(huán)中的類阿爾芬波的傳播特性，我們發(fā)現(xiàn)這些類阿爾芬波在冕環(huán)的頂點(diǎn)附近表現(xiàn)出了高頻溢出現(xiàn)象。這種高頻溢出現(xiàn)象是類阿爾芬波湍流的潛在證據(jù)。進(jìn)一步分析表明，冕環(huán)中的高頻溢出現(xiàn)象與冕環(huán)的長度成正比，這一點(diǎn)和湍流的假設(shè)結(jié)果一致。同時(shí)，冕環(huán)中譜線觀測線寬的關(guān)系同樣支持湍流的存在。綜合所有證據(jù)，我們認(rèn)為太陽的冕環(huán)中廣泛存在的準(zhǔn)周期性小尺度噴流和類阿爾芬波相互作用確實(shí)可以產(chǎn)生湍流。以上結(jié)果表明

12、，準(zhǔn)周期性小尺度噴流在日冕加熱的過程中起著重要的作用。
　　那么，小尺度噴流是否也會(huì)對(duì)高速太陽風(fēng)在低日冕中的加速起到作用呢？我們利用SDO和CoMP的觀測數(shù)據(jù)，分析了2011年12月20日太陽南極區(qū)的14個(gè)極羽。詳細(xì)的分析揭示了在極羽中同時(shí)存在的類阿爾芬擾動(dòng)和準(zhǔn)周期性的小尺度噴流。垂直擾動(dòng)的類阿爾芬波的平均速度振幅為0.5km s-1、天空平面的投影相速度為830km s-1、周期為3-5分鐘。而準(zhǔn)周期性的小尺度噴流的速度則為12

13、0km s-1、周期為更長的15分鐘。這說明，太陽的冕洞區(qū)域在低日冕范圍內(nèi)同樣廣泛存在著準(zhǔn)周期性的小尺度噴流和類阿爾芬波。它們的同時(shí)出現(xiàn)，為類阿爾芬湍流的觸發(fā)提供了極大的可能性。以上結(jié)果表明，準(zhǔn)周期性的小尺度噴流在高速太陽風(fēng)的加速過程中也有可能發(fā)揮著重要作用。
　　最后，我們研究了一個(gè)可能由準(zhǔn)周期性小尺度噴流驅(qū)動(dòng)的慢磁聲波的觀測事件。這些與準(zhǔn)周期性小尺度噴流共存的慢磁聲波出現(xiàn)在2011年9月25日著名的太陽龍卷風(fēng)事件中。這是在太陽

14、寧靜區(qū)中的慢磁聲波的首次觀測證據(jù)。我們發(fā)現(xiàn)，這些慢磁聲波表現(xiàn)出了明顯的多溫度特性——它們?cè)谳^高溫度的AIA171(A)波段中的傳播相速度為101km s-1，而在較低溫度的304(A)波段中的相速度則相應(yīng)地更小(70km s-1)。它們的周期則為很小的50秒，大約為冕洞和活動(dòng)區(qū)中慢磁聲波周期的1/5-1/10。對(duì)這些慢磁聲波攜帶的能流的估計(jì)表明任何一束慢磁聲波不足以加熱局地日冕，然而觀測中我們發(fā)現(xiàn)經(jīng)常在同時(shí)出現(xiàn)多束慢磁聲波，它們對(duì)日冕加