太阳大气多尺度喷流及相关的能量转换与输运

摘要

喷流(Jet)是太阳大气中最常见的爆发活动之一。它们的爆发，代表着色球层向日冕中注入了高温等离子体。它们的发生常伴随着磁场重联，代表着太阳大气磁场能量的释放和色球层向日冕的能量输运。同时，喷流在触发的过程中还经常伴随着耀斑、日冕物质抛射和射电暴事件，引起空间天气的变化和地球磁场的扰动。因此，研究太阳大气喷流不仅能够加深我们对太阳的磁场结构、演化、日冕加热等关键问题的理解;还能有助于我们了解耀斑、日冕物质抛射和高能粒子事件的爆发机制，增强我们预报空间天气变化的能力。
　　然而，由于缺乏高精度的观测手段，关于喷流的运动学特征、能量转换过程以及它们与太阳大气波动的相互作用、对日冕加热和太阳风加速的贡献等问题仍然很不清楚。我们将太阳大气中的喷流分为大尺度喷流和小尺度喷流两类。其中大尺度喷流指的是太阳日冕中观测到的、从底部大气喷发的、偶发的、（时常）伴随明显耀斑的大量等离子体物质（长度经常为几十到数百兆米）喷发现象。而小尺度喷流则指的是太阳色球层到日冕中广泛存在的、具有准周期性的、小尺度的等离子体物质喷发现象。在本论文中，我们将分别从大尺度喷流和小尺度喷流的角度系统地展开对太阳大气喷流细致而深入的研究，以冀能够在一定程度上增加我们对太阳大气喷流现象和规律的认识。
　　1、大尺度喷流的动力学过程前人的研究表明，太阳大气大尺度喷流由底部的磁场重联触发。磁场重联不仅加热了喷流等离子体，还为喷流提供了初始的动能。然而，在重联结束之后喷流仍然可以上升到一个高于它的初速度所能达到的不寻常的高度。以前的研究专注于喷流的触发机制，很少涉及到喷流触发之后的能量过程。我们首先利用SDO AIA和STEREO EUVI的多角度、多波段观测，对一个日冕大尺度极紫外喷流做了详细的动力学分析。我们发现，在磁场重联之后，由于磁场解旋所带来的洛伦兹力为喷流提供持续的向上推动力。在整个喷流过程中，喷流从解旋过程所获得的动能是从磁场重联中获得的动能的1.6倍。同时我们发现，磁场的解旋过程使得喷流能够保持不断的旋转。喷流的旋转速度和周期在它上升和下降的过程中几乎没有任何减小的迹象。最后我们分析了喷流所携带的能流，我们发现，即使喷流的能量只有2％发生了耗散，也足够加热当地的等离子体。因此我们相信，大尺度喷流有可能对加热局地日冕有所贡献。
　　基于以上的结果，我们进一步分析日冕大尺度喷流过程中磁场能量释放的规律。同样利用SDO AIA和STEREO EUVI的多角度、多波段观测，我们呈现了太阳双生喷流的首次观测分析和数值模拟。一个太阳大尺度喷流作为前导喷流被触发，并表现出了典型的井喷式(Blowout)喷流的特征。对这个前导喷流的运动过程和动力学能量的分析表明，磁场重联之后的磁场解旋过程注入到喷流的动能是磁场重联注入的动能的1.6倍。然而，整个过程到这里还没有结束。在前导喷流即将回落到达日面的时候，它的附近同时出现了两个细小的大尺度喷流。所有的观测证据都表明这两个细小的喷流源于同一个触发过程——它们是双生喷流。三维磁流体力学数值模拟的结果表明，在前导喷流的爆发过程中形成了一个S形的磁场结构。这个S形的磁场结构的两臂与背景磁场的进一步重联，触发了我们观测到的双生喷流。双生喷流代表磁场能量在重联和解旋之后的进一步的自由能释放，使得我们对喷流的能量释放以及太阳局部磁场演化规律的认识更近了一步。
　　另一方面，大量研究表明大尺度喷流和太阳耀斑保持了密切的关系。然而，喷流与日冕物质抛射是否有关联呢？喷流是否只是太阳大气中的“无害”活动而不会引起近地空间环境的剧烈变化呢？通过利用SDO、STEREO和SOHOLASCO的极紫外、白光日冕的多角度观测，我们分析了一个触发了高速日冕物质抛射的喷流事件。这个被触发的日冕物质抛射的径向速度超过了每秒1000公里，对太阳风以及行星际环境造成剧烈的扰动。而触发了日冕物质抛射的喷流位于日冕物质抛射的正下方，是它的爆发推动了上方泡状体的运动并最终导致了日冕物质抛射的爆发。磁场和极紫外的观测表明，这个大尺度喷流是由一个典型的三维磁零点的磁场重联触发的，为大尺度喷流的三维磁场重联理论提供了重要的观测证据。我们同时发现喷流的旋转运动存在明显的减速行为。旋转运动的减速过程可能是由于喷流底部的初始磁场结构导致的，也可能是喷流的旋转动能传递给了日冕物质抛射——具体的机制还需要更多的观测证据和分析。
　　2、小尺度喷流与大气波动的相互作用小尺度喷流包括Ⅰ类针状物、Ⅱ类针状物和日冕中的准周期性物质流。前人的研究表明，日冕中的准周期性物质流动是色球层中的Ⅱ类针状物在日冕中的表现结果。而Ⅱ类针状物的爆发机制与前面所述的大尺度喷流的爆发机制完全一致，都是起源于足点处的磁场重联。研究表明准周期性物质流动在日冕（包括冕环）中是广泛存在的，我们试图研究它们是否会和日冕中同样广泛存在的类阿尔芬波产生相互作用。众所周知，类阿尔芬波携带了足够的能流用于加热日冕，那么它们的波动能量是如何损耗的呢？如果周期为3-5分钟、速度为600kms-1的类阿尔芬波在日冕传播的过程中遇到了周期更长（15分钟）、速度更慢(100kms-1)的准周期性的密度增强（小尺度喷流），就会发生一系列的波动的反射和透射。进而引起波动的串极效应，形成类阿尔芬波湍，造成波动能量的损失和对局地日冕的加热。那么这种情况是否真实存在呢？通过研究37个冕环中的类阿尔芬波的传播特性，我们发现这些类阿尔芬波在冕环的顶点附近表现出了高频溢出现象。这种高频溢出现象是类阿尔芬波湍流的潜在证据。进一步分析表明，冕环中的高频溢出现象与冕环的长度成正比，这一点和湍流的假设结果一致。同时，冕环中谱线观测线宽的关系同样支持湍流的存在。综合所有证据，我们认为太阳的冕环中广泛存在的准周期性小尺度喷流和类阿尔芬波相互作用确实可以产生湍流。以上结果表明，准周期性小尺度喷流在日冕加热的过程中起着重要的作用。
　　那么，小尺度喷流是否也会对高速太阳风在低日冕中的加速起到作用呢？我们利用SDO和CoMP的观测数据，分析了2011年12月20日太阳南极区的14个极羽。详细的分析揭示了在极羽中同时存在的类阿尔芬扰动和准周期性的小尺度喷流。垂直扰动的类阿尔芬波的平均速度振幅为0.5km s-1、天空平面的投影相速度为830km s-1、周期为3-5分钟。而准周期性的小尺度喷流的速度则为120km s-1、周期为更长的15分钟。这说明，太阳的冕洞区域在低日冕范围内同样广泛存在着准周期性的小尺度喷流和类阿尔芬波。它们的同时出现，为类阿尔芬湍流的触发提供了极大的可能性。以上结果表明，准周期性的小尺度喷流在高速太阳风的加速过程中也有可能发挥着重要作用。
　　最后，我们研究了一个可能由准周期性小尺度喷流驱动的慢磁声波的观测事件。这些与准周期性小尺度喷流共存的慢磁声波出现在2011年9月25日著名的太阳龙卷风事件中。这是在太阳宁静区中的慢磁声波的首次观测证据。我们发现，这些慢磁声波表现出了明显的多温度特性——它们在较高温度的AIA171(A)波段中的传播相速度为101km s-1，而在较低温度的304(A)波段中的相速度则相应地更小(70km s-1)。它们的周期则为很小的50秒，大约为冕洞和活动区中慢磁声波周期的1/5-1/10。对这些慢磁声波携带的能流的估计表明任何一束慢磁声波不足以加热局地日冕，然而观测中我们发现经常在同时出现多束慢磁声波，它们对日冕加热的具体贡献还有待于进一步研究。同时它们与同时出现的周期更长的准周期性小尺度喷流之间的关系也需要进一步的分析。

目录

声明

摘要

表格索引

插图索引

主要符号对照表

第一章 绪论

1．1 引言

1．1．1 太阳大气

1．1．2 太阳喷流

1．2 大尺度喷流

1．2．1 观测参数

1．2．2 相关现象

1．2．3 模型

1．3 小尺度喷流

1．3．1 Ⅰ类针状物

1．3．2 Ⅱ类针状物

1．3．3 准周期性密度扰动

1．4 卫星和仪器

1．4．1 SDO

1．4．2 CoMP

1．4．3 STEREO

1．4．4 LASCO

1．5 小结

第二章 大尺度喷流的动力学过程

2．1 引言

2．2 喷流的能量释放与分配

2．2．1 观测概述

2．2．2 喷流的轴向运动

2．2．3 喷流的旋转运动

2．2．4 能量分配

2．3 双生喷流的首次观测和模拟

2．3．1 观测概述

2．3．2 动力学分析

2．3．3 受力与能量分析

2．3．4 数值模拟

2．4 由三维磁场重联触发并驱动CME的日冕喷流

2．4．1 观测数据

2．4．2 爆发机制和讨论

2．5 小结与讨论

第三章 小尺度喷流与太阳大气波动的相互作用

3．1 引言

3．2 冕环中类阿尔芬湍流的统计证据——与准周期性喷流非线性相互作用的结果?

3．2．1 仪器和数据

3．2．2 示例：2013年9月22日的日冕暗腔冕环

3．2．3 37个冕环的统计分析

3．2．4 讨论

3．3 极羽中准周期性喷流和类阿尔芬波的同时观测——太阳风加速的起源?

3．3．1 数据分析

3．3．2 讨论

3．4 宁静区上方日冕暗腔中与准周期性喷流共存的慢磁声波

3．4．1 事件概况

3．4．2 螺旋磁场结构?周期性的小尺度喷流?还是波列?

3．4．3 慢磁声波的证据

3．4．4 波动携带的能流

3．5 小结与讨论

第四章 总结和展望

参考文献

附录

致谢

Publications