日冕大尺度结构演化及快速磁场重联的数值研究

论文摘要

MHD模型可以弥补观测相对缺乏和过于局部的缺点,已经被广泛应用于研究各种重要的空间等离子体过程,作为一个强有力的工具极大地加深了人们对复杂物理过程的认识。在本文中,一种新颖且优秀的数值格式—时空守恒（CESE）格式首次被引入并全面应用于MHD模式中;从MHD数值模拟的角度,重点研究了两个具有不同时间和空间尺度的物理过程:日冕大尺度结构的太阳活动周演化和自发快速磁场重联。CESE格式是近年来在计算流体领域兴起且发展迅速的优秀数值格式,本文首次把它应用于求解带电阻的MHD方程组,并构建了一个全新的2.5维磁场重联MHD模式。对典型的磁场重联问题的模拟结果表明,该模式不仅具有较高的精度,而且对数值计算中磁场散度不为零问题不需做任何特殊处理,完全能够实现对复杂磁场重联过程的精确刻画。基于此模式,我们详细研究了中性电流片中的自发快速重联过程,它提供了一种有效的磁能快速释放机制。模拟结果表明,由于重联入流和电流驱动型反常电阻之间存在一个相互促进的正反馈作用,而反常电阻区始终局限在X型重联点附近,使得快速重联机制可以自发地建立起来,整个重联位型具备Petschek型重联的典型特征。但是,重联过程不能保持为准稳态。事实上,在重联发展过程中磁扩散区（反常电阻区）存在内在的持续伸长,当重联机制达到非线性饱和状态后电流片出现二次撕裂现象,重联拓扑结构随之发生改变,整个重联过程表现出时变的爆发性特征。各种不同物理条件下的数值试验进一步证实了自发快速重联的爆发性特征;此外试验结果还显示,激发反常电阻的阈值越高、反常电阻强度越大、等离子体β越小,自发快速重联过程进行得越剧烈。为了克服球坐标系下极区存在离散奇点的问题,同时考虑到太阳活动高年日冕和太阳风内部存在复杂的非对称性三维结构,本文直接采用直角坐标系构建了一个全新的全球日冕-行星际MHD模式（SIP-CESE模式）,把CESE格式进行推广并首次应用于日冕和太阳风大尺度结构研究。针对日冕-行星际问题所在的球面外计算区域,构造更为合理的球面贴体非结构网格系统,极大地简化了太阳表面的计算边界处理问题;同时,依据网格系统在径向方向上的自相似性,利用MPI库函数对模式进行了并行化。应用SIP-CESE模式,并利用Wilcox天文台的光球磁场观测数据作为边界条件,选取了处于不同太阳活动周位相的15个卡林顿自转周,首次模拟得到了23太阳活动周期间的日冕大尺度磁场结构。模拟结果显示,在23太阳活动周期间,日球电流片（HCS）多数时间可以近似描述为一个相对太阳赤道倾斜的平面,倾角由极小期小于20°变化到极大期接近90°;然而,在太阳活动极大年HCS呈现复杂的双重电流片结构,在上升相和下降相,HCS有时会出现显著的扭曲和南北不对称性。另外,太阳表面闭合场区与开放场区总面积的比例从极小期时的～2-3变化为极大期时的～6。将模拟结果与势场源表面（PFSS）模型结果以及白光日冕观测对比发现,MHD模型和PFSS模型得出的源表面磁中性线位型基本吻合,但在不同太阳活动位相存在一定差异;另外,白光日冕图像中亮度较大的地方基本对应于电流片的位置,进一步证实白光观测到的冕流结构来源于日球电流片周围的大尺度等离子体片。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 日冕大尺度结构
• 1.1.1 静态日冕模型
• 1.1.2 太阳风
• 1.2 日冕磁场
• 1.2.1 势场模型
• 1.2.2 势场源表面模型
• 1.2.3 无力场模型
• 1.2.4 MHD模型
• 1.3 日冕磁场及大尺度结构的太阳活动周变化
• 1.4 太阳爆发性活动与磁场重联
• 1.5 磁场重联模型
• 1.5.1 理论模型
• 1.5.2 数值模型
• 1.6 计算MHD方程组的数值算法
• 1.6.1 时空守恒格式
• 1.7 本文研究内容和章节安排
• 第二章 基于CESE格式的磁场重联MHD模式
• 2.1 控制方程
• 2.2 时空守恒格式
• 2.2.1 守恒元和解元
• m'>2.2.2 求解新时刻的u_m
• mx和u_my'>2.2.3 求解新时刻的u_mx和u_my
• 2.2.4 求解非线性方程
• 2.2.5 数值计算中磁场散度误差估计
• 2.3 模式检验
• 2.3.1 日球多重电流片中的磁场重联
• 2.4 本章小结
• 第三章 自发快速重联的爆发性特征
• 3.1 模型描述
• 3.1.1 控制方程
• 3.1.2 自发快速重联模型的初始设置
• 3.2 模拟结果
• 3.2.1 初始扰动
• 3.2.2 自发快速重联机制
• 3.2.3 参数研究
• 3.3 本章小结
• 第四章 基于CESE格式的日冕-行星际MHD模式
• 4.1 控制方程
• 4.2 CESE算法实现
• 4.2.1 球面贴体非结构网格划分
• 4.2.2 非结构网格上的CESE格式
• 4.2.3 并行计算
• 4.3 模式检验
• 4.4 本章小结
• 第五章 第23太阳活动周期间日冕大尺度结构演化
• 5.1 MHD模型
• 5.2 模拟结果
• 5.2.1 日球电流片及日冕磁场位型演化
• 5.2.2 MHD模拟结果与PFSS模型结果以及观测结果的对比
• 5.3 总结与讨论
• 第六章 总结与展望
• 6.1 主要工作总结
• 6.2 未来工作展望
• 参考文献
• 发表文章目录
• 致谢