太阳磁场的三维数据驱动数值模拟研究

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磁流体力学(MHD)数值模拟是太阳物理研究中的有力工具,是研究等离子体物理现象及演化过程的重要手段。利用磁流体力学数值模拟可以弥补观测上和理论上的不足,得到观测不到的物理量,或者进行理论上的验证,对我们进行研究太阳大气中复杂物理过程的演化有着重要的意义。数据驱动的数值模拟方法作为一种新近发展起来的数值模拟方法,可以把精细观测数据的优势和理论研究的优势结合起来,使得二者自然的融合在一起。本文研究的重点就是把数据驱动的数值模拟方法应用到太阳物理研究中,探讨了可能的应用方法,并对得到的结果进行物理上的分析。  一种可能的应用就是求得不能观测的物理量的分布,比如说速度场分布,并以此计算能流的分布,研究光球上能量的输运过程。模型初始状态的设置,利用观测磁图的纵向分量外推出势场,密度分布则设为随高度指数递减的形式。为了把观测到的时间磁图稳定的自洽的加入到数值模型中,利用了投影特征线的边界条件。在模型的“压缩”阶段,把底面上的横向磁场从初始的势场逐步的演化到观测的矢量磁图的横场,直到底面磁场和观测磁场完全吻合。在“松弛”阶段,底面边界条件不变,继续演化模型到达平衡状态。这时的平衡状态可以认为是代表了某一时刻的太阳大气的真实状态,平衡状态中包含了三维的速度和三维磁场的信息,利用这样的信息,我们可以得到光球上能流的分布和大小。在把这个模型应用到实际活动区之前,我们把数值模拟模型应用到一个磁流管浮现的数值模拟生成的磁图上,并把得到的物理结果和原结果进行对比,验证结果显示了二者之间有很强的对应性。  另一种可能的应用是对日冕磁场进行外推。太阳高层大气中的三维磁场结构的直接观测的误差太大,远不及光球上观测的磁场准确。为了得到日冕中的磁场,现在通行的一种方法是通过外推的方式利用光球上的磁场来推出高层的磁场。作为一种求解全MHD方程组的外推方式,数据驱动的数值模拟方法比其他一些外推方法更符合真实物理情况。我们利用了时空守恒格式的算法(CESE)来实现数据驱动模型,并把其用到Low&Lou的非线性无力场模型的外推上,作为模型的一种验证。Low&Lou的磁场模型作为检验磁场外推的标准模型,有着解析的磁场形式,可以进行量化的比较。把我们外推的结果和Low&Lou的磁场模型进行的比较显示,数据驱动的数值模拟方法外推的磁场和对比磁场有很强的可比性。  接下来,我们考虑了把数据驱动的数值模拟外推方法应用到实际活动区上。在实现数值模型的时候,我们利用了总差变减少的(TVD)Lax-Friedrichs的格式来进行计算。利用这种方法的好处是,TVDLax-Friedrichs方法对边界条件上的噪音的容忍度比较大,可以比较容易的用到实际观测磁图上面。在数值模拟中,通过把底面上的横向磁场从初始的势场逐步的演化到观测的矢量磁图的横场,初始的势场被逐步的驱动到非势的磁场。当模拟的底面磁场和观测磁场完全吻合后,继续演化数值模型,“松弛”磁场线到达近似无力场状态,这时候停止模拟,得到的磁场状态可以认为是外推出的磁场。通过这样的过程,我们把发生在2006年12月13号的X3.4耀斑前后的磁图作为数值驱动的数值模拟的底面边界条件,这样就可以把耀斑前后的磁场拓扑状态外推出来。我们针对这种磁场拓扑状态的变化做了物理上的解释。最后,我们把外推出的磁场和hinode观测的XRT图像进行了对比,显示了很好的对应性。
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