关于日冕物质抛射爆发机制与传播特性的数值模拟研究

论文摘要

日冕物质抛射（Coronal Mass Ejection,CME）是太阳大气及行星际空间中大尺度、剧烈爆发的活动现象,它包含了各种各样的物理机制与过程。同时,CME是灾害性空间天气的主要驱动源,当其与地球接触时,会产生剧烈的地磁扰动,影响近地空间环境。因此,CME作为联接太阳与地球的一个重要的纽带,一直以来在空间物理与空间天气学中占有重要的地位。本论文主要采用数值模拟手段,从CME在太阳表面出发,研究CME的爆发机制-灾变模型,随后进入到行星际空间,研究CME的偏转传播与形变,最后到达地球,研究CME的演化对局地参数拟合的影响。本文的工作涵盖了日地（solar-terrestrial）空间环境,形成了CME的日地因果关系链。论文的具体内容包含以下三个方面:1.CME的爆发机制-灾变模型的研究灾变模型被认为是CME的一种爆发机制。在相关的研究中,磁能一直以来被认为是灾变过程的主要供能者,在CME的爆发中占据主导作用。然而,对于大尺度的CME结构,其他形式的能量的作用也不应该被忽略。我们采用二维三分量的磁流体力学（magnetohydrodynamics,MHD）数值模拟研究日冕磁绳在太阳风背景场中的灾变问题,并关注其中不同形式能量的演化过程。我们发现当磁绳的轴向磁通或者环向磁通增加,或者质量减小时,系统均可以发生灾变,灾变后磁绳向上爆发。在发生灾变后,系统的磁能与磁绳的内能减小（对应了能量释放的过程）,它们共同作用于磁绳动能与重力势能的增加,并且贡献相当。此外,我们发现减小磁绳的轴向磁通也可以触发系统的灾变。而在这样的灾变过程中,系统释放的磁能远小于磁绳释放的内能;甚至可以存系统磁能在灾变后较灾变前增加的情况。这表明了内能可以作为主要、甚至是唯一的供能者参与到灾变过程中。2.CME在行星际空间中的偏转传播基于遥感与局地仪器的间接观测,CME在行星际空间中的偏转被认为是影响CME到达地球结果的一个因素,而这也是空间天气预报中的一个重要部分。为了从统计上评估偏转对CME是否到达地球的预报的影响,我们开发了一套集成的CME自动预报系统（integrated CME-arrival forecasting system,iCAF）。该系统包含了CME自动识别,三维参数拟合及传播轨迹重构三个模块,可以全自动给出CME能否到达地球的预报。基于iCAF的测试结果,我们发现在考虑了偏转因素后,iCAF对CME的预报准确率较未考虑偏转的预报准确率提高了19个百分点,这表明了CME的偏转在空间天气预报中的重要性。然而,我们目前始终没有对CME在行星际空间中、特别是在黄道面内发生偏转的直接观测证据。为了从理论上研究该现象,我们开发了二维三分量的MHD数值模拟方法以研究CME在日球赤道面内的传播情况。基于数值模拟的结果,我们证实了CME在赤道面内存在偏转,并且该偏转与CME和背景太阳风之间的速度差有关。当CME的速度与太阳风速度相近时,CME沿径向传播而不存在偏转;当CME速度大于太阳风速度时,它会向东偏转;反之,CME向西偏转;速度差越大,CME的偏转角越大。造成这样偏转的原因是:快速（慢速）的CME在传播时,会使与太阳一同自转的行星际空间中的磁场堆积在CME的西侧（东侧）,这些堆积的磁场进而推动CME向东（西）偏转;堆积的磁场强度与CME和太阳风的速度差相关。我们的模拟结果支持了CME在行星际空间偏转（CME deflection in the interplanetary space,DIPS）模型所给出的图像。同时,为了验证DIPS模型在空间天气预报中的有效性,我们将模拟中的CME速度与太阳风速度输入至DIPS模型中以预测CME的偏转角,并比较了两者的偏转结果,发现他们有较好的吻合度。我们的数值模拟为研究CME的偏转问题提供了有力的手段。3.CME的形变与局地磁云参数拟合CME的形变在空间天气研究中同样占有重要的地位。我们通过数值模拟方法研究CME在日球子午面内的形变问题。我们发现CME在传播过程中由于与背景太阳风发生相互作用,会在传播方向上逐渐变得扁平。我们研究了CME在爆发时的物理特性（对应了模拟中磁绳的轴向磁通,环向磁通和质量）对其形变的影响。我们发现当CME的质量增加,或者轴向磁通增加,又或者环向磁通减小时,CME的形变加剧（即更加扁平）;而在环向磁通较大时,形变程度受参数的影响大幅减弱。在了解了CME的形变后,我们进一步研究这一现象对局地磁云参数拟合的影响。磁云是具有规则磁场的CME在局地的表现。目前,在局地的观测仅限于一维路径上的数据,我们需要借助拟合或者重构等手段反演CME在二维乃至三维空间中的信息。因此,拟合结果的好坏对正确理解磁云的特性十分重要。圆柱形的磁云模型目前是磁云拟合中常用的手段,我们测试了两种圆柱形模型（分别是线性无力场模型与磁力线均匀扭缠的非线性无力场模型）对形变的磁云的拟合,发现在拟合结果中,磁云的轴向磁通被低估,而低估的程度与形变程度有关;但是,形变对于环向磁通的拟合几乎没有影响。此外,通过比较数值模拟与拟合的结果,我们发现拟合的参数与模拟中磁云的参数可以存在较大的偏差（尽管拟合优度检验表明拟合的结果较好）,而这种偏差与采用的拟合模型及飞船穿越磁云的轨迹都有关系。这些研究对正确解读实际观测数据的拟合结果有着重要意义。

论文目录

摘要

ABSTRACT

第1章绪论

1.1 CME的观测简介

1.2 CME的爆发机制

1.2.1 整体图像

1.2.2 灾变模型

1.3 CME的传播

1.3.1 获取三维传播参数

1.3.2 加速与减速

1.3.3 偏转传播

1.3.4 形变

1.4 行星际磁云

1.4.1 观测

1.4.2 理论模型

1.5 CME的数值模拟研究

1.6 小结

第2章数值模拟方法的介绍

2.1 多步隐格式方法

2.2 磁绳的浮现

2.3 磁场重联及数值计算中对重联的抑制

第3章 CME的爆发机制-灾变模型

3.1 数值模拟方法

3.2 灾变及相关的能量分析

3.3 小结与讨论

第4章 CME在行星际空间中的偏转

4.1 CME自动预报系统-iCAF

4.1.1 iCAF简介

4.1.2 DIPS模型简介

4.1.3 CME偏转对iCAF预报结果的影响

4.2 数值模拟研究

4.2.1 方法

4.2.2 过程与结果

4.2.3 与DIPS模型的比较

4.2.4 太阳风速度的选取对DIPS模型的影响

4.3 小结与讨论

第5章 CME在行星际空间中的形变

5.1 形变对局地磁云参数拟合的影响

5.1.1 数值模拟方法

5.1.2 磁云参数拟合模型

5.1.3 磁云参数拟合与数值模拟的比较

5.1.4 关于磁云参数拟合的讨论

5.2 CME物理特性对形变的影响

5.3 小结与讨论

第6章总结与展望

参考文献

附录A 灾变过程中的能量守恒关系

附录B iCAF的预报逻辑及相关的测试结果

B.1 CME自动识别模块

B.2 CME三维传播参数拟合模块

B.3 CME传播轨迹重构模块

B.4 自动识别模块的测试

B.5 三维参数获取模块的测试

B.6 传播轨迹重构模块的测试

B.7 小结与讨论

致谢

Publications

文章来源

类型: 博士论文

作者: 庄彬

导师: 汪毓明,胡友秋

关键词: 空间天气,灾变模型,太阳风,磁通量绳,日冕物质抛射,磁云

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 天文学,地球物理学

单位: 中国科学技术大学

分类号: P353;P182.62

总页数: 166

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