暗条振荡及细丝形成的数值模拟

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太阳暗条是太阳大气活动中非常重要的现象。在日面边缘被观测时表现为明亮的日珥结构,在以日面为背景的观测中则表现为黑色细长的暗条,并且在高分辨率观测下表现出名为暗条细丝的精细结构。与周围的日冕环境相比,暗条的温度低两个量级,密度高两个量级。为了平衡重力,一般认为是受到当地磁场的洛伦兹力的作用才能悬浮在空中的,而磁场能提供向上的洛伦兹力的区域被称为磁凹陷。通过近半个多世纪以来的理论研究和近年来的高分辨率观测,我们对暗条的磁场、精细结构以及暗条的形成、振荡、抛射等动力学特征有了一定程度的了解。但是暗条的各种物理过程都包含诸多非线性的物理因素,使得对于它的研究充满了挑战性。因此本文中我们从暗条的振荡入手,通过数值模拟的手段来研究暗条的一些问题。暗条的振荡按照其相对于暗条区域磁力线的方向可以分为垂直于磁力线的横向振荡和平行于磁力线的纵向振荡。纵向振荡距离其首次被报道已经过去了16年,前人对纵向振荡的研究基本都是基于一根带有单个磁凹陷的一维刚性磁流管模型。但是在理论模型和观测外推中都有出现过同一根磁流管包含两个或更多磁凹陷的情况,也就有可能出现同一根磁流管存在两根暗条细丝的情况。这样的话,任何一根细丝的纵向振荡行为就会受到细丝间相互作用的影响而偏离传统的理论模型(单摆模型)。在前人工作的基础上,我们通过数值求解一维辐射流体力学方程来研究这种特殊的纵向振荡行为,试图寻找在外界扰动作用下暗条细丝的行为会如何偏离单摆模型。我们发现,即使是受到细丝间相互作用的影响,暗条纵向振荡的周期也不会发生太大的改变,在我们考虑的极端情况中最多只有20%的偏差。但是,振荡的衰减时标会由于细丝间的相互作用而发生巨大的改变,说明细丝间的相互作用是影响细丝振荡衰减时标的一个重要因素。其实,暗条的一生大部分时间都处于包含振荡在内的动力学中。暗条的振荡行为能够为我们推断暗条及其周围的日冕环境提供一定的帮助。因此,在上一个工作和前人工作的基础上,我们为了研究暗条振荡的回复力和主要的振荡模式,在三维磁通量绳位形下,对暗条振荡进行了完整的三维理想磁流体力学模拟。我们的三维模拟中的纵向振荡周期为49 min,和以重力沿磁力线的分量为回复力的单摆模型吻合得比较好。而对于横向振荡的模拟,我们将其进一步细分为没有重力参与的横向水平振荡和有重力参与的横向竖直振荡。模拟结果表明,在我们的磁场位形下,水平振荡的周期是10 min,而竖直振荡的周期是14 min,两个结果都和二维的平板模型预测的结果较为吻合。此外我们还发现,在横向振荡过程中,磁张力在多数时间占据主导,而磁压力仅仅在最初的1 min左右的时间内作用比较显著。上述三维模拟工作揭示了暗条振荡行为的一些性质,但是对暗条振荡进一步的深入研究需要考虑进一步提高分辨率,从而理解暗条振荡这一暗条的整体行为和暗条的精细结构,即暗条细丝的振荡之间的关系。为此,我们首先需要知道暗条细丝结构形成的原因和机制。不同于以往的磁流体不稳定性理论,我们尝试提出了一个能够解释暗条细丝的形成机制的新模型。模型利用暗条足点附近能量注入的不均匀性,来使得暗条自发地变成多个离散的细丝状。我们以传统的蒸发冷凝模型为例,通过二维的磁流体力学模型去验证我们的设想。模拟得到的细丝结构的典型尺度和观测接近,一方面所得到的暗条在宏观上表现为较稳定的状态,另外一方面,在微观上每一根细丝都始终处于高度的动力学过程中,表现出了著名的双向流动,通过Hα的时间-切片图得到的流动速度也和观测类似。此外,在这样的双向流动中,我们也观测到了细丝的纵向振荡行为。这个工作为我们未来更自洽地研究暗条的振荡打下了一定的基础。
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