太阳暗条爆发演化及其磁场的研究

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太阳暗条为受磁场束缚而存在于日冕中的等离子体物质,其温度在一万度量级,为日冕温度的1%,密度又比日冕物质高两个量级。在日面上,暗条物质吸收背景辐射而呈现黑色长条状;在日面边缘则为突出边缘的明亮结构,即日珥。对于单个暗条的物理性质、磁场结构、爆发过程,前人已有诸多研究。近年来空间及地基高分辨率观测显示许多暗条是成组存在的,各暗条之间甚至有物质或磁通量的交流。多暗条系统逐渐受到关注,其中最简单的情况为双暗条系统,这类系统中又存在一种特殊的情况,即两个成员暗条位于同一磁中性线上方,而高度分布一高一低,称为双层暗条结构。这类暗条系统的磁场结构可能为一上一下两个磁绳,也可能是下方为磁拱而上方为磁绳的组合。观测表明两个暗条可以同时或依次爆发,更多的情况是上层暗条爆发而下层暗条留在原地。结合SDO/AIA的多波段观测数据、GONG提供的Hα数据以及SDO/HMI提供的磁场数据,本文第二章对发生于2014年7月5日的一个C形双层暗条系统的爆发过程(SOL2014-07-05)做了详细研究。我们发现仅上层暗条爆发,且爆发失败;下层暗条没有显著变化。为了研究爆发的具体触发过程以及爆发失败的原因,我们分析了爆发开始前4小时到爆发结束整个过程的观测数据,发现在爆发开始前,下层暗条西北侧足点有间歇性的亮喷流注入到系统中,其中一个扰动了上层暗条使其发生纵向振荡。这些亮喷流与光球磁对消密切相关,可以为双层暗条的磁系统增加磁通量。两层暗条之间HFT(hyperbolic flux tube)处的剪切重联导致了 C1.3级的前兆耀斑,随后上层暗条爆发,伴随一个C2.5级环形耀斑。我们利用磁绳插入法模拟了爆发区域的磁场,发现该区域上覆磁场为一个没有零点的扇脊结构,且磁脊所在处为一平板形电流片所代替。插入的两个磁通量束初始的极向磁通为0(无扭缠),在磁摩擦松弛过程中,极向磁通逐渐增加,即磁通量束逐渐积累扭缠。上层结构上升至电流环不稳定性阈值高度以上而爆发。在到达最高点时,已经演化为磁绳的上层磁通量束与扇面QSL(quasi-separatrix layer)附近的上覆磁场发生重联,导致扭缠的释放和磁绳的瓦解,爆发失败。因此整个过程为上层为磁绳、下层为磁通量束的双层暗条系统失败的部分爆发。通过磁场建模,我们重现了爆发前、爆发中、爆发后暗条磁结构的状态,且与观测到的暗条形态基本符合。我们的研究第一次展示了磁摩擦松弛法可以定性地模拟双层暗条系统的失败爆发,重现观测到的暗条中的扭缠演化。在第三章中,我们研究了一个与SOL2014-07-05事件磁场分布相似的另一个双暗条系统发生的爆发(SOL2014-03-29)。爆发发生于2014年3月29日,东侧暗条爆发且伴随一个C2.4级耀斑及一个CME,为成功爆发。爆发过程中暗条呈现出强扭缠形态,暗条顶端短暂地出现了一个扭折(kinking/writhing)结构,随后暗条逐渐解缠。扭折结构的形成可能源于磁绳上方的剪切场分量对该磁绳两侧腿部施加的方向相反的洛伦兹力。观测表明在爆发前,未爆发暗条同样更为活跃,且通过暗条间的相互作用增加了爆发暗条的磁通量和不稳定性。暗条上升到电流环不稳定性阈值的高度后开始快速上升,与此同时耀斑开始。耀斑的初始位置在暗条中部下方,与该处在爆发前光球磁场的磁对消相关。势场模型的拓扑分析表明,爆发暗条位于两个拱状QSL的分界面附近。利用磁绳插入法构建的最适非势磁场模型显示爆发暗条对应的磁绳扭缠数在爆发过程中达到1.75以上,且随着爆发的进行而逐渐减弱,与观测一致。该成功爆发与失败爆发SOL2014-07-05两个事件光球磁场分布相似但结局不同的主要原因有两方面:一方面,失败爆发发生于扇脊结构穹顶下方,在上升过程中爆发磁绳与穹顶磁力线重联释放扭缠,抑制了爆发;而在成功爆发中,爆发暗条位于两个拱状QSL的交界面附近。另一方面,耀斑重联发生的初始位置不同。SOL2014-07-05的耀斑重联初始位置在未爆发暗条北侧足点附近,而SOL2014-03-29中爆发暗条的耀斑重联初始位置在爆发暗条的中部下方,更有利于爆发的成功。在第四章中,我们详细研究了发生于2012年12月7日的一个冕环横向振荡事件。该事件是由一个携带日珥物质的磁绳的非径向爆发导致。利用BBSO、SDO、SOHO/LASCO、STEREO以及Fermi等地面及卫星仪器所提供的数据进行分析,我们发现日珥(磁绳)的非径向爆发是由于其爆发轨迹上,磁场相对较弱,更容易突破束缚而爆发。同时这一爆发产生了一个磁压较低的区域,导致了较大的磁压梯度的出现,从而触发了冕环的横向振荡。我们还应用冕震学方法计算并得到了振荡冕环的内部阿尔芬速度及磁场大小。
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