太阳低层大气小尺度喷流及其与冕羽的关联性研究

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太阳光球网络状磁场是宁静太阳大气(包括宁静区和冕洞)中最主要的磁结构,其中发生的热动力学行为是理解宁静太阳大气物质和能量输运过程的重要窗口。已有观测证实,网络磁场区域上普遍扎根着具有不同热动力学特征的喷流(状)磁流体结构,包括具有色球温度的喷流(如针状体)、具有过渡区温度的网络喷流以及在日冕温度上可见的冕羽。研究表明部分低层大气喷流结构与冕羽中能量或物质的增加之间存在某种内在的关联。这种内在关联性的物理本质是理解网络组织上方能量和物质输运过程的重要线索。本论文基于观测数据,区分有明显冕羽结构和无明显冕羽结构的网络组织,利用自主开发的低层大气小尺度喷流识别跟踪算法,证认并分析不同网络组织对应的低层太阳大气小尺度喷流现象,统计它们的动力学特征,从而在观测上明确低层太阳大气小尺度喷流与日冕辐射增强(即能量或物质增加)的统计性关系。在此基础上,本论文基于磁流体力学开展数值计算,对获得的观测结论进行物理讨论,探讨低层太阳大气小尺度喷流影响日冕可能的物理过程。首先,本论文结合太阳动力学天文台(Solar Dynamics Observatory,简称SDO)的大气成像望远镜组(Atmospheric Imaging Assembly,简称AIA)的171 (?)(日冕温度,用于认证冕羽结构)和过渡层成像光谱卫星(Interface Region Imaging Spectrograph,简称IRIS)的1330(?)(过渡区温度,用于认证过渡区网络喷流结构)波段的观测数据,研究了有冕羽和无冕羽网络组织上方过渡区网络喷流的动力学特征。在观测区域中,根据冕羽发生的空间分布情况,我们将分析区域分为两类,一类是冕羽明显可见的(R1和R2),另一类是冕羽很弱或者几乎不可见的(R3和R4)。该观测区域内网络磁场以正极为主导,且R1和R2区域内磁汇聚现象强于R3和R4区域。利用自主开发的过渡区网络喷流识别和追踪算法,我们在R1和R2识别和跟踪了619个过渡区网络喷流结构,其寿命、高度和速度分别为45.6s,8.1"和131 km s-1,对应的标准偏差分别是35.0s,1.6"和64km s-1;在R3和R4识别和跟踪了674个过渡区网络喷流结构,其寿命、高度和速度分别为50.2s,5.5"和89km s-1,对应的标准偏差分别是35.4s,1.9"和45 km s-1。通过对比,我们发现位于R1和R2区域内的过渡区网络喷流比位于R3和R4区域内的具有更高的高度和更快的速度,即冕羽扎根的网络磁场上发生的过渡区网络喷流比其它区域的更为活跃。进一步,我们利用SDO/AIA 171(?)波段和抚仙湖太阳观测站的1米新真空望远镜(New Vacuum Solar Telescope,简称NVST)的Hα(-0.6A波段,用于识别色球结构)的观测数据,探究了具有不同日冕响应的网络磁场上方发生的色球喷流结构及其动力学特征。基于自主开发的算法,在观测时段和观测区域内识别并跟踪了 1320个Hα喷流,相当于每个超米粒组织任意时刻大约存在58个Hα喷流。所有的Hα喷流结构的寿命、高度和速度的统计平均值分别为75.38s,2.67Mm和65.6 km s-1,对应的标准偏差分别是33.08s,1.03Mm和42.59 km s-1。同样地,根据Hα喷流发生位置有无明显冕羽结构,将它们分为两类并对其动力学特征进行分析。我们发现,有明显冕羽的网络组织上方发生的Hα喷流的寿命、高度和速度的统计平均值分别为76.1s,3.01 Mm和81.2km s-1,对应的标准偏差分别是35.0s,1.07Mm和48.3km s-1,而在其它网络磁场上方发生的Hα喷流的寿命、高度和速度的统计平均值分别为75.0s,2.48Mm和56.9km s-1,对应的标准偏差分别是32.0s,0.95Mm和36.3 km s-1。可见,有明显冕羽的网络组织上方发生的Hα喷流相比于其他区域的具有更大的高度和更快的速度。我们还对29个与冕羽内的传播扰动有密切联系的Hα喷流进行了分析,发现其中28个的速度超过50km s-1。同时,还发现一个事例,其中的日冕喷流和Hα喷流在空间及时间演化上存在一对一关系,且两者的喷发速度都超过150 km s-1,表明冷喷流和热喷流结构可以相互耦合。我们的观测结果表明,具有更大速度的低层太阳大气小尺度喷流可能对日冕的能量或物质供应产生更大的影响。为理解这一观测事实,我们基于磁流体力学数值计算探讨了其中可能的物理过程。在数值计算中,我们考虑了分层的太阳大气模型,利用开源的PLUTO软件数值求解二维坐标系下磁流体力学(MHD)方程组。通过在低色球施加瞬时速度脉冲,激发类似于现实中的色球喷流结构,并追踪其演化过程及日冕等离子体响应。通过改变初始速度脉冲的振幅,探究不同速度脉冲下产生的色球喷流结构的动力学特征,同时比较它们的日冕响应。基于数值计算的参数研究表明,速度脉冲的幅值越大,所激发的色球喷流的上行速度就越快,达到的高度也越高。我们还发现,所加的速度脉冲在上行过程中会陡化为激波,激波耗散会引起局地温度提升。在同一日冕高度下,激波压缩比随初始脉冲幅值的增大而增大,局地温度的增量也越大。该模拟结果初步解释了自色球产生的喷流结构与日冕磁流体结构之间的关联性,表明高度动态的低层大气小尺度喷流结构可以通过激波形式将能量耗散到高层大气,也为论文的观测结果提供了一种可能的物理解释。
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