日冕物质抛射伴生现象的数值研究

论文摘要

日冕物质抛射(Coronal Mass Ejections,简称CME)是太阳大气和太阳系中最剧烈、尺度最大的能量释放和活动现象。当CME发生时,在很短时间内,将携带的巨大能量和物质,大量的高能射线和高能粒子抛到行星际空间,对空间天气造成强烈扰动,给我们完全依赖的各种现代化技术,如卫星、通讯、遥感、电力等造成严重的影响。所以CME这一研究课题与人们的日常生活息息相关。CME是日冕大尺度磁场平衡遭到破坏的产物,当这种爆发产生时,往往会伴随着很多观测现象,如莫尔顿波、EIT波、暗区(dimming)以及各型射电暴等。这些伴生现象在很大程度上丰富了日冕物质抛射的研究内容,对它们的研究为我们更全面、更深入地理解日冕物质抛射提供了很好的切入点。在对CME的研究过程中,人们一直对CME的一些伴生现象抱有极大的兴趣,因为对它们的了解为我们最终完整地理解CME提供了很多线索。本文利用目前被天文领域广泛应用的ZEUS程序,从数值模拟的角度对CME的一些伴生现象,主要是针对莫尔顿波、EIT波以及暗区,做了进一步的研究与探讨。我们在两种不同密度分布的背景场中,对上述伴生现象,做了较系统和深入的数值研究。在研究莫尔顿波和EIT波的过程中,我们从另外一个角度,即速度的散度和速度的旋度对它们分别做了多方位的数值实验。我们发现在两种不同的背景场中,当磁绳以足够快的运动速度积压前方的气体和磁场并使得相关扰动的传播速度最终超过当地的磁声波速度时,都会在磁绳的顶部形成一个弓激波,并且紧贴着磁绳的上部产生一个慢激波,以及在磁绳的两个侧后方的速度漩涡。随着演化时间不断地向前推进,所有这些扰动都逐渐地向外传播。快模激波和慢激波及速度漩涡传播的高度层次不同,快模波传播到达了日面,而慢模波及速度漩涡的传播则只能到达日面以上日冕当中的某个层次。另外,我们还对它们的速度大小以及当地的阿尔芬速度大小做了进一步的研究。通过这些数值结果,我们认为:快模波(即上面提到的弓激波)传播到色球层时,就会产生莫尔顿波,而慢模波及速度漩涡的相互耦合对应于日冕中的EIT波,并且弓激波也是产生Ⅱ型射电暴的源。同时,在我们的模拟结果中还发现在CME上升时,还伴有暗区出现,通过我们进一步的模拟证实了暗区是由于密度的损失引起的。另外,我们还数值研究了,在不同密度分布的背景场中,磁通量绳的动力学演化过程。并对这两种情况下的磁通量绳动力学演化过程做了进一步的比较和分析。而且把我们所取得的数值结果与已有的理论结果做了比较。在本文的最后,我们对曾经调研的另一个天体物理磁流体动力学程序(CANS:Coordinated Astronomical Numerical Software)中所涉及的一个算法做了进一步的考察,并对其基本形式的算法做了修正和数值实验,得到了较理想的结果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 数值模拟简述以及磁流体力学方程组基本概述
• 1.1 数值模拟简述
• 1.2 磁流体基本方程组概述
• 第二章 CME基本概述
• 2.1 CME的观测特征以及统计特征
• 2.1.1 CME的形态和结构
• 2.1.2 CME的平均质量和能量
• 2.1.3 CME的速度
• 2.1.4 CME的加速度
• 2.1.5 CME的角宽度
• 2.1.6 CME的纬度分布
• 2.1.7 CME的发生率
• 2.2 与CME相关的太阳爆发现象
• 2.2.1 CME与耀斑及耀斑理论模型
• 2.2.2 CME与爆发日珥
• 2.3 CME的伴生现象
• 2.3.1 莫尔顿波
• 2.3.2 EIT波
• 2.3.3 Dimming（暗区）
• 2.3.4 太阳射电爆发现象
• 2.4 主要太阳爆发模型简介
• 2.4.1 非无力场模型
• 2.4.2 理想MHD模型
• 2.4.3 耗散MHD模型和混合模型
• 第三章 ZEUS-2D程序
• 3.1 基本求解方法
• 3.2 网格划分
• 3.3 具体数值算法
• 3.4 算法的稳定性和精确性
• 第四章 均匀大气中CME伴生现象的数值研究
• 4.1 研究背景介绍
• 4.2 公式及计算工具简介
• 4.3 计算结果
• 4.4 讨论和总结
• 第五章 等温大气中CME伴生现象的数值研究
• 5.1 研究背景介绍
• 5.2 计算涉及公式及背景场处理方法
• 5.3 计算结果
• 5.4 讨论和总结
• 第六章 预条件AOR迭代算法
• 6.1 研究背景介绍
• 6.2 一类新预条件AOR迭代方法
• 6.2.1 计算结果
• 6.2.2 数值例子
• 第七章 展望
• 参考文献
• 发表文章
• 致谢