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云南天文台太阳低层大气磁重联研究获新进展
2018-01-15  |  作者:  |  【  】 【打印】 【关闭

  近期,天体物理学杂志(The Astrophysical Journal)刊登了太阳低层大气磁重联理论研究方面的新进展,该研究是由云南天文台太阳物理理论研究团组倪蕾副研究员等人共同完成的。该工作首次运用多流体磁流体模型研究了太阳温度极小区附近弱电离、强磁场环境下的小尺度磁重联物理机制。该研究成果进一步揭示了近几年运用太阳界面层成像光谱仪(IRIS)卫星和高分辨率的地面太阳望远镜所观测到的太阳低层大气小尺度发亮事件的物理机制,可帮助解释目前国际太阳物理界非常有争议的问题“太阳温度极小区附近的等离子体在磁重联过程中能否被加热到足够高的温度而产生Si IV的发射线?IRIS卫星观测到的高温亮点(IBs)和地面望远镜所观测到的传统埃勒曼炸弹(EBs)之间是否有联系?”

  EBs是最早在Hα的红蓝线翼上观测到的增亮事件,通常被认为是在太阳光球顶部到低色球区域的磁重联过程中形成的,由观测经验和传统的EBs模型推算出该事件发生的过程中等离子体温度不超过1万K。最近,IRIS卫星和地面高精度望远镜联合观测发现,在高密度的温度极小区附近有一些增亮事件与传统的EBs有很多相似的特征(例如:寿命、尺度等),但是这些事件发生的过程中产生远大于传统EBs温度的高温等离子体从而产生Si IV的发射线(要求温度极小区附近高密度等离子体温度至少在2万K以上)。

  之前的单流体数值模拟表明低色球中的磁重联过程只能将附近的等离子体加热到1万K左右,但是这些模拟中采用了不真实的反常电阻率,计算精度也比较低。倪蕾等人2015和2016年的高精度、包含更真实电阻率的数值实验结果发现,当温度极小区附近的重联磁场达到500G,等离子体能由4200K被加热到8万K以上,但是该单流体模型中假设了等离子体始终处于电离平衡状态。

  倪蕾等人的多流体模型在过去工作基础上考虑了更加接近真实情况的非电离平衡效应和电阻率,并且模型中考虑了电荷交换、霍尔效应、辐射冷却、热传导和黏滞耗散等。他们发现非电离平衡使得磁重联过程中的等离子体加热更加困难,以前的单流体模型中等离子体的温度被高估了。但是,当温度极小区附近磁场超过千高斯时,重联发生前的弱电离、高密度等离子体能被完全电离,温度被加热到2万K以上,因此有可能产生Si IV的发射线。他们的结果还表明在强磁场低等离子体β的部分电离磁重联过程中,中性粒子的电离率(ionization rate)总是大于离子的复合率(recombination rate),因此磁重联率的变化与完全电离等离子体中的变化更相似,只有当磁场较弱、等离子体β较大时,强的复合率才能导致磁重联率被提高。

  太阳温度极小区中的等离子体环境非常复杂,倪蕾等人所用的磁重联模型是目前国际上该领域研究中包含了最多真实物理效应的模型,所得到的结果目前也处在最前沿。该团队的一系列工作,对研究部分电离等离子体环境中的磁重联过程的本质、了解太阳低层大气所观测到的众多的小尺度事件的物理图像都具有非常重要的意义。

  该成果得到了国家自然科学基金委面上项目和重点项目等的资助(批准号:11573064, 11203069和11333007),也得到了中国科学院前沿重点课题(QYZDJ- SSW-SLH012)、西部之光人才项目和青年促进会人才项目的资助。该成果的数值计算得到了国家自然科学基金委-广东省政府联合基金(第二期)超级计算科学应用研究专项的资助,共获得了500万核时的计算资源。

 图1.被电离的离子和中性粒子在磁重联过程中穿过重联X点垂直于电流片方向的温度分布, Case A为包含非电离平衡效应情况,Case A0为假设等离子体处于电离平衡状态的情况。由此可见模型中包含非电离平衡效应的重要性。

图2.温度极小区附近,在不同磁场强度情况下(均已考虑非电离平衡效应),电流片内的电离度fi和温度的分布情况。Case C, A,Case D和 Case E中磁场强度分别为100G,500G,1000G 和1500G.

 
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