橫向非均勻太陽大氣磁結(jié)構(gòu)中的集體模式.pdf

1、SOHO、TRACE、Hinode和SDO等衛(wèi)星升空后，在高度結(jié)構(gòu)化的太陽大氣中發(fā)現(xiàn)了大量的低頻波動和震蕩。波動參數(shù)的測量，結(jié)合日冕磁結(jié)構(gòu)中集體磁流體波動模式的理論，即可推測難以直接測量的關(guān)鍵日冕物理參數(shù)，這就是“冕震學(xué)”的研究內(nèi)容。冕震學(xué)推測對象中，Alfvén速和大氣結(jié)構(gòu)的橫向密度梯度備受關(guān)注。然而，作為冕震學(xué)的理論出發(fā)點，日冕磁結(jié)構(gòu)常被描述成靜態(tài)的、密度由內(nèi)到外是躍變的。本文利用解析和數(shù)值計算，較為系統(tǒng)地討論了磁結(jié)構(gòu)內(nèi)外流動剪切、

2、密度橫向不均勻性對若干主流冕震學(xué)診斷手段的影響。所取得成果具有如下主要創(chuàng)新點:(1)首次系統(tǒng)討論了流動剪切對磁環(huán)中駐波的效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)該剪切可顯著影響環(huán)內(nèi)快扭曲模基模諧模周期比，也可極大限制快臘腸駐波的可觀測性;(2)首次給出了具有任意橫向密度剖面的磁片結(jié)構(gòu)中快波的色散關(guān)系并對其做了系統(tǒng)討論，發(fā)現(xiàn)第一支扭曲波受密度分布細(xì)節(jié)影響不大，為以往的冕震學(xué)實踐提供了理論支撐;但臘腸模及高支扭曲模的特性敏感地依賴于密度分布細(xì)節(jié);(3)首次探討了具有任意

3、橫向密度剖面的磁環(huán)中脈沖激發(fā)的臘腸行波，其結(jié)果表明，某些活動區(qū)磁環(huán)中臘腸行波信號不存在準(zhǔn)周期相，這與經(jīng)典結(jié)論有定性的區(qū)別。具體描述如下。
　　觀測表明，不少震蕩的太陽大氣磁環(huán)中存在多周期信號。在冕震學(xué)框架內(nèi)，磁環(huán)中駐波基模周期（P1）與第一諧模周期(P2)之比在推斷磁環(huán)介質(zhì)的密度及磁場結(jié)構(gòu)化信息方面起著重要作用。基于光譜測量的直接手段與基于冕震學(xué)思想的間接手段都表明磁環(huán)內(nèi)可能存在可觀的場向流。但迄今還少有研究來系統(tǒng)討論磁環(huán)內(nèi)外流動

4、剪切對周期比這一冕震學(xué)手段的影響。本文第二章數(shù)值求解了帶有流動的磁環(huán)中波模的色散關(guān)系，設(shè)計了一種簡單的圖形方法來構(gòu)造駐波，從而首次系統(tǒng)考察了周期比P1/2P2對磁環(huán)橫縱比（即半徑-環(huán)長比）、環(huán)內(nèi)流速以及環(huán)內(nèi)外密度比的依賴。對于冕環(huán)，我們發(fā)現(xiàn)流動效應(yīng)對快扭曲模和臘腸模的影響都很大:對快扭曲模，流動會使P1/2P比靜態(tài)時顯著減小;對快臘腸模，流動對P/2P2的影響有限，但會極大縮小支持束縛臘腸駐波的冕環(huán)的參數(shù)范圍。對于光球磁環(huán)，流動對P1/

5、2P2影響較弱，但考慮流動效應(yīng)會為光球磁結(jié)構(gòu)中臘腸模多周期現(xiàn)象的觀測提供額外的理解方式。
　　相對于磁環(huán)幾何，磁片幾何在解釋若干太陽大氣磁結(jié)構(gòu)中集體波模（如白光觀測所發(fā)現(xiàn)的冕流波）的觀測方面更為適用。已有研究多假定磁片內(nèi)外密度呈階躍式變化。顯然密度的橫向連續(xù)變化更為現(xiàn)實，但其效應(yīng)還少有研究。本文第三章在冷磁流體力學(xué)框架下，首次解析給出了具有任意橫向密度剖面的日冕磁片中集體快波所滿足的色散關(guān)系，并進(jìn)而系統(tǒng)討論了連續(xù)橫向密度分布對日冕

6、磁片中駐立扭曲模和臘腸模色散特性的影響。此外還通過數(shù)值求解相應(yīng)的時變快波方程，說明了我們所關(guān)注的解析色散關(guān)系的解有其明確的物理意義。我們發(fā)現(xiàn)，至少對幾種常用的橫向密度剖面，對任意軸向波數(shù)，第一支扭曲?？偸潜皇`在磁片內(nèi)。當(dāng)軸向波數(shù)的取值在觀測范圍內(nèi)時，與階躍情形相比，引入密度剖面的連續(xù)分布所帶來的該支扭曲模周期的變化不超過13％。但軸向波數(shù)較小時，臘腸模和其他支扭曲模是泄漏的，且其周期和衰減時間嚴(yán)重依賴于橫向密度分布的描述。只有在耀斑環(huán)

7、這類高密度比的磁結(jié)構(gòu)中，這些模式的衰減才足夠弱，以至于可被觀測到?？傮w上看，對第一支扭曲模來說，階躍剖面的色散關(guān)系在計入橫向密度連續(xù)變化時仍大致適用;但對臘腸模和其他支扭曲模來說，其研究需要考慮橫向密度分布的細(xì)節(jié)。
　　近期紫外、可見光及射電觀測表明，冕環(huán)中常出現(xiàn)準(zhǔn)周期行波。從直觀上講，行波的這類準(zhǔn)周期性可能來自激發(fā)源的準(zhǔn)周期行為。但事實上，由于磁環(huán)中集體模式的色散，脈沖源也可導(dǎo)致行波的準(zhǔn)周期性，此時集體模式軸向群速度（vgr）對

8、角頻率(ω)的依賴決定了行波的時變特征。由于其強(qiáng)色散性，束縛臘腸模在這一機(jī)制中備受關(guān)注。已有研究往往假定磁環(huán)內(nèi)外密度呈階躍式變化，此時隨著ω的增加，束縛臘腸模的vgr先迅速下降繼而緩慢增加，而這一非單調(diào)性是行波信號中存在準(zhǔn)周期相的原因。基于我們以往所得具有任意密度剖面的冕環(huán)中臘腸波的色散關(guān)系，本文第四章討論了橫向連續(xù)密度剖面對脈沖激發(fā)的臘腸行波的影響。對于拋物剖面，無論環(huán)內(nèi)外密度比以及密度橫向變化尺度如何，群速度vgr對ω的依賴與階躍剖

9、面的經(jīng)典結(jié)果都定性類似。換言之，如果磁環(huán)密度剖面可用拋物剖面刻畫，那么脈沖激發(fā)的快臘腸行波信號總是包含準(zhǔn)周期相。對線性剖面，群速度vgr隨ω的變化對環(huán)內(nèi)外密度比以及密度橫向變化尺度有著復(fù)雜的依賴關(guān)系。對于較小的橫向密度尺度，無論密度比如何，vgr-ω曲線的總體行為總與階躍情形類似。但對于較大的橫向密度尺度（換句話說，較為彌散的冕環(huán)），當(dāng)密度比較小時，vgr-ω曲線呈單調(diào)變化，此時脈沖激發(fā)的快臘腸行波信號中不再存在準(zhǔn)周期相。而當(dāng)密度比較大