弱磁场中暗条纵向振荡的数值模拟

论文摘要

太阳暗条是悬浮于高温低密度日冕中的低温高密度等离子体,在日面的Hα单色像中显示为暗黑的长条形结构。当暗条出现在日面边缘时被称为日珥。暗条的爆发与太阳耀斑及日冕物质抛射密切相关,因此,对暗条的探索在太阳爆发现象的研究中具有非常重要的地位。高分辨率的观测发现暗条由众多细丝构成。暗条细丝的走向沿着磁场方向,从而对暗条细丝的研究为理解不易被直接测量的暗条磁场提供了一个重要的途经。早期观测分辨率不高时,暗条被认为是静止的,在洛伦兹力与重力的共同作用下保持平衡。为了满足这个条件,在日冕中需要存在磁凹陷。而高分辨率的观测则显示暗条并非静止,物质随时处在运动状态中,并伴随着部分暗条物质往色球的回落以及色球物质对暗条的不断补充。少数暗条是由低温物质的虹吸流产生,它们不需要磁凹陷的存在,大部分暗条则是由正常极性的磁凹陷（即剪切磁拱）和反向极性的磁凹陷（即磁绳）支撑,处在一个稳态或亚稳态的平衡中。由于太阳大气无处不在的扰动,暗条物质经常会偏离平衡位置,并开始出现振荡现象。暗条的振荡也被提出是暗条爆发的一个可能的前兆特征。暗条振荡通常被分为大振幅振荡和小振幅振荡。但是,更具有物理意义的分类是将其分为纵向振荡和横向振荡,前者的回复力是重力的场向分量,而后者的回复力是磁场的洛伦兹力。本论文研究的是暗条的纵向振荡。前人已经做了不少关于暗条纵向振荡的数值模拟工作,但以一维模拟居多,即便是二维和三维的数值模拟,也都简单地采用绝热近似。这些模拟工作均得到了可与观测相比的振荡周期,但模拟中的衰减时标通常大于观测值。为了解决这个问题,我们考虑辐射和热传导等非绝热物理过程,并对暗条的纵向振荡进行二维数值模拟。另外,前人所采用的磁场强度比较大,重力与洛伦兹的比值比较小,本论文则关心弱磁场下的暗条振荡。本文的所有工作都是围绕弱磁场环境下的暗条纵向振荡这一方向,使用并行自适应网格程序MPI-AMRVAC进行理想磁流体的二维辐射磁流体力学数值模拟,并与一维辐射流体动力学数值模拟结果进行比较,主要的研究内容和结果如下:（1）我们发现在弱磁场情况下,暗条的振荡周期会随着振荡的衰减而逐渐变短。为了解释这种变化,我们仔细地分析了暗条的受力状况,发现气压梯度力在非绝热情况下和绝热情况下有着显著的不同。在绝热情况下,气压梯度力主要表现为回复力,它使得暗条的振荡周期比单摆模型预言的要短一些;而在非绝热情况下,气压梯度力主要表现为阻尼,它导致暗条振荡的衰减时间大大缩短。（2）在考虑辐射和热传导的情况下,暗条纵向振荡的衰减时间从一维情况下的113分钟降低至二维情况下的34分钟。在二维的模拟中,我们考察了垂直于磁场方向的运动速度,发现在弱磁场中,暗条的纵向振荡激发了明显的横向振荡。横向振荡带来的垂直方向扰动产生了向外传播的快模波,从而损失了暗条的动能。一维模拟中不存在这方面的能量损失。由此我们提出,波泄漏很可能是弱磁场情况下暗条纵向振荡的一种比较重要的衰减机制。（3）同样是二维磁流体的演化,暗条纵向振荡的衰减时间从绝热情况下的211分钟下降到非绝热情况下的34分钟。由于辐射和热传导的存在,振荡时增加的温度梯度和气压梯度在非绝热过程中被降低,从而改变了动量方程中气压梯度力项的相位差,因此产生了比绝热情况大得多的阻力。这使得非绝热的纵向振荡具有更短的衰减时间。由此可见,辐射和热传导等非绝热物理过程是暗条纵向振荡的主要衰减机制。这些结果很好地解释了前人的一维辐射流体力学数值模拟难以重现观测到的暗条纵向振荡衰减时标的原因,也为弱磁场情况下的珥震学提供了有益的借鉴。

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摘要

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第一章引言

1.1 研究背景

1.1.1 暗条和暗条细丝

1.1.2 暗条的形成

1.1.3 暗条振荡

1.2 暗条纵向振荡的数值模拟

1.2.1 纵向振荡的一维模拟

1.2.2 纵向振荡的多维模拟

1.3 本文的结构

第二章暗条纵向振荡的二维非绝热数值模拟

2.1 背景

2.2 磁场位形

2.3 数值方法

2.3.1 控制方程

2.3.2 初始分布

2.3.3 速度扰动

2.4 计算结果

2.4.1 概述

2.4.2 振荡速度的拟合

2.5 小结

第三章暗条纵向振荡模型的修正

3.1 单摆模型

3.2 变质量振子模型

3.2.1 质量演化

3.2.2 受力分析

3.2.3 变周期拟合方法

3.3 纵向振荡的垂直分布

3.4 衰减机制和能量分析

3.5 参数分析

3.5.1 不同初始质量

3.5.2 不同磁场大小

3.6 绝热条件的纵向振荡值模拟

3.6.1 受力分析和速度拟合

3.6.2 能量分析

3.6.3 纵向振荡的垂直分布

3.7 小结

第四章暗条纵向振荡的一维数值模拟

4.1 引言

4.2 一维纵向振荡数值模拟

4.2.1 受力分析与速度拟合

4.2.2 能量分析

4.2.3 一维绝热结果

4.3 小结

第五章纵向振荡激发横向振荡

5.1 引言

5.2 速度与受力分析

5.3 非绝热与绝热的横向振荡对比

5.4 小结

第六章总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

发表论文

致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 张蠡岳

导师: 陈鹏飞

关键词: 日珥,暗条,暗条振荡,数值模拟,磁流体

来源: 南京大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 天文学

单位: 南京大学

基金: 国家自然科学基金(11533005,11025314),江苏省333工程(No.BRA2017359)

分类号: P182

DOI: 10.27235/d.cnki.gnjiu.2019.000009

总页数: 100

文件大小: 10215K

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弱磁场中暗条纵向振荡的数值模拟

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