等离子体天体优秀PPT.ppt

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1、等离子体天体等离子体天体2023/2/26等离子体天体物理课程讲义等离子体天体物理课程讲义(4)1第一页，本课件共有39页2023/2/26等离子体天体物理课程讲义等离子体天体物理课程讲义(4)2 最近的最近的最近的最近的Yohkoh Yohkoh，SOHOSOHO，TRACETRACE等卫星观测取得了更精细的日等卫星观测取得了更精细的日等卫星观测取得了更精细的日等卫星观测取得了更精细的日冕观测结果，表明冕观测结果，表明冕观测结果，表明冕观测结果，表明日冕磁场在连续日冕磁场在连续日冕磁场在连续日冕磁场在连续演化和重联。演化和重联。演化和重联。演化和重联。例如，右图所示为例如，右图所示为例如，右

2、图所示为例如，右图所示为TRACETRACE的观测的观测的观测的观测结果，显示了日冕磁场的爆发过程。结果，显示了日冕磁场的爆发过程。结果，显示了日冕磁场的爆发过程。结果，显示了日冕磁场的爆发过程。冕环冕环冕环冕环具有不同的特性。根据具有不同的特性。根据具有不同的特性。根据具有不同的特性。根据7070年代年代年代年代SkylabSkylab的结果：的结果：的结果：的结果：活动区冕环活动区冕环活动区冕环活动区冕环：典型长度：典型长度：典型长度：典型长度：温度：温度：温度：温度：密度：密度：密度：密度：宁静区冕环宁静区冕环宁静区冕环宁静区冕环：典型长度：典型长度：典型长度：典型长度：密度：密度：密度

3、：密度：相互作用冕环相互作用冕环相互作用冕环相互作用冕环：典型长度：典型长度：典型长度：典型长度：温度：温度：温度：温度：密度：密度：密度：密度：最近的最近的最近的最近的YohkohYohkoh观测表明活动区冕观测表明活动区冕观测表明活动区冕观测表明活动区冕环温度可更高达：环温度可更高达：环温度可更高达：环温度可更高达：冕洞冕洞冕洞冕洞要冷些和稀疏些：要冷些和稀疏些：要冷些和稀疏些：要冷些和稀疏些：1.4-1.8MK1.4-1.8MK，1/3n 1/3nc cX X射线亮点射线亮点射线亮点射线亮点大小约为：大小约为：大小约为：大小约为：4-22Mm4-22Mm 温度：温度：温度：温度：1.3

4、1.7 MK 1.3 1.7 MK 密度：密度：密度：密度：(2-4)n (2-4)nc c （宁静日冕密度）（宁静日冕密度）（宁静日冕密度）（宁静日冕密度）第二页，本课件共有39页2023/2/26等离子体天体物理课程讲义等离子体天体物理课程讲义(4)3 日冕中的等离子体日冕中的等离子体日冕中的等离子体日冕中的等离子体 通常很小（通常很小（通常很小（通常很小（11），因此得到无力场。），因此得到无力场。），因此得到无力场。），因此得到无力场。日冕磁场扎根在密度较高的光球下，那里日冕磁场扎根在密度较高的光球下，那里日冕磁场扎根在密度较高的光球下，那里日冕磁场扎根在密度较高的光球下，那里 1 1

5、。这些足点会以多种方式运动这些足点会以多种方式运动这些足点会以多种方式运动这些足点会以多种方式运动：米粒的典型水平速度为米粒的典型水平速度为米粒的典型水平速度为米粒的典型水平速度为 0.25-2 km/s 0.25-2 km/s，寿命为，寿命为，寿命为，寿命为 6-8 6-8 分钟；分钟；分钟；分钟；超米粒的水平速度为超米粒的水平速度为超米粒的水平速度为超米粒的水平速度为 0.3 km/s 0.3 km/s，寿命超过一天；，寿命超过一天；，寿命超过一天；，寿命超过一天；还有与活动区演化对应的运动。还有与活动区演化对应的运动。还有与活动区演化对应的运动。还有与活动区演化对应的运动。磁能以磁能以磁

6、能以磁能以PoyntingPoynting通量（通量（通量（通量（S=E S=E B/B/=-(v =-(v B)B)B/B/）的形式由光球向上进）的形式由光球向上进）的形式由光球向上进）的形式由光球向上进入到日冕里，入到日冕里，入到日冕里，入到日冕里，这些能量用到什么地方了呢？这些能量用到什么地方了呢？这些能量用到什么地方了呢？这些能量用到什么地方了呢？答案可根据答案可根据答案可根据答案可根据PoyntingPoynting定理得到：定理得到：定理得到：定理得到：日冕以特征时间日冕以特征时间日冕以特征时间日冕以特征时间 响应这些运动的方式取决于响应这些运动的方式取决于响应这些运动的方式取决于

7、响应这些运动的方式取决于 与时间与时间与时间与时间(10 L/v(10 L/vA A)的关系，即阿尔芬波沿着日冕的关系，即阿尔芬波沿着日冕的关系，即阿尔芬波沿着日冕的关系，即阿尔芬波沿着日冕结构的长度结构的长度结构的长度结构的长度(L)(L)以阿尔芬速度以阿尔芬速度以阿尔芬速度以阿尔芬速度(v(vA A=B/(=B/()1/21/2)传播十次所需的时间。传播十次所需的时间。传播十次所需的时间。传播十次所需的时间。如果如果如果如果 10 L/v 10 L/v 10 L/vA A ，则日冕磁场通过一系列平衡态缓慢演化。，则日冕磁场通过一系列平衡态缓慢演化。，则日冕磁场通过一系列平衡态缓慢演化。，则

8、日冕磁场通过一系列平衡态缓慢演化。因此，因此，因此，因此，部分能量被贮存起来，最终可部分能量被贮存起来，最终可部分能量被贮存起来，最终可部分能量被贮存起来，最终可（例如，以喷发日珥或耀斑等形式）（例如，以喷发日珥或耀斑等形式）（例如，以喷发日珥或耀斑等形式）（例如，以喷发日珥或耀斑等形式）释放掉；释放掉；释放掉；释放掉；部分能量被连续地耗散掉，用于日冕加热；部分能量被连续地耗散掉，用于日冕加热；部分能量被连续地耗散掉，用于日冕加热；部分能量被连续地耗散掉，用于日冕加热；部分能量以多种方式加速等离子体，它们可以逃逸掉，也可能被粘性或电阻耗散掉。部分能量以多种方式加速等离子体，它们可以逃逸掉，也可

9、能被粘性或电阻耗散掉。部分能量以多种方式加速等离子体，它们可以逃逸掉，也可能被粘性或电阻耗散掉。部分能量以多种方式加速等离子体，它们可以逃逸掉，也可能被粘性或电阻耗散掉。上式表明，上式表明，上式表明，上式表明，注入的磁能注入的磁能注入的磁能注入的磁能以以以以磁能的增加磁能的增加磁能的增加磁能的增加、欧姆加热欧姆加热欧姆加热欧姆加热和和和和磁场力做功磁场力做功磁场力做功磁场力做功的形式出现在日冕里。的形式出现在日冕里。的形式出现在日冕里。的形式出现在日冕里。第三页，本课件共有39页2023/2/26等离子体天体物理课程讲义等离子体天体物理课程讲义(4)4 在上个世纪在上个世纪在上个世纪在上个世纪

10、6060年代以前，人们以为日冕是宁静、几乎均匀的，并被声波加热。年代以前，人们以为日冕是宁静、几乎均匀的，并被声波加热。年代以前，人们以为日冕是宁静、几乎均匀的，并被声波加热。年代以前，人们以为日冕是宁静、几乎均匀的，并被声波加热。现在知道现在知道现在知道现在知道日冕是高度湍流的环境日冕是高度湍流的环境日冕是高度湍流的环境日冕是高度湍流的环境，在日冕谱线中具有在日冕谱线中具有在日冕谱线中具有在日冕谱线中具有一般不能被分辨的一般不能被分辨的一般不能被分辨的一般不能被分辨的10-40 km/s10-40 km/s的的的的“湍流湍流湍流湍流”速度速度速度速度。从从从从SkylabSkylab得到的过

11、渡区谱线显示当温度从得到的过渡区谱线显示当温度从得到的过渡区谱线显示当温度从得到的过渡区谱线显示当温度从50,000K50,000K增加到增加到增加到增加到500,000K500,000K时，时，时，时，速速速速 度从度从度从度从16 km/s 16 km/s 增加到增加到增加到增加到 24 km/s 24 km/s。在在在在1 1百万度的日冕紫外谱线中得到约百万度的日冕紫外谱线中得到约百万度的日冕紫外谱线中得到约百万度的日冕紫外谱线中得到约25km/s25km/s的速度，而的速度，而的速度，而的速度，而SMMSMM卫星上卫星上卫星上卫星上3 3百万度百万度百万度百万度 对应的对应的对应的对应

12、的Mg XI Mg XI 谱线观测得到谱线观测得到谱线观测得到谱线观测得到40km/s40km/s的速度。的速度。的速度。的速度。有时，在小于有时，在小于有时，在小于有时，在小于1.5Mm1.5Mm的区域中会观测到的区域中会观测到的区域中会观测到的区域中会观测到250km/s250km/s的湍流事件。的湍流事件。的湍流事件。的湍流事件。另外，从对应低位磁环的另外，从对应低位磁环的另外，从对应低位磁环的另外，从对应低位磁环的 UV UV和硬和硬和硬和硬X X射线观测中也发现了间歇性加热事件。射线观测中也发现了间歇性加热事件。射线观测中也发现了间歇性加热事件。射线观测中也发现了间歇性加热事件。日冕

13、需要日冕需要日冕需要日冕需要热流来与辐射、传导和外流平衡热流来与辐射、传导和外流平衡热流来与辐射、传导和外流平衡热流来与辐射、传导和外流平衡。在冕洞中，其值为在冕洞中，其值为在冕洞中，其值为在冕洞中，其值为 600 W/m 600 W/m2 2，主要用于平衡外流；，主要用于平衡外流；，主要用于平衡外流；，主要用于平衡外流；在宁静区，则只有在宁静区，则只有在宁静区，则只有在宁静区，则只有 300 W/m 300 W/m2 2，主要用于平衡传导和辐射；，主要用于平衡传导和辐射；，主要用于平衡传导和辐射；，主要用于平衡传导和辐射；但在活动区其值为但在活动区其值为但在活动区其值为但在活动区其值为 50

14、00 W/m 5000 W/m2 2，也是用于平衡传导和辐射。，也是用于平衡传导和辐射。，也是用于平衡传导和辐射。，也是用于平衡传导和辐射。因为过渡区的声波通量只有因为过渡区的声波通量只有因为过渡区的声波通量只有因为过渡区的声波通量只有10 W/m10 W/m2 2，而在强磁场区域观测到更热的结果，因此，而在强磁场区域观测到更热的结果，因此，而在强磁场区域观测到更热的结果，因此，而在强磁场区域观测到更热的结果，因此，人们通常认为人们通常认为人们通常认为人们通常认为日冕加热机制是磁能的原因日冕加热机制是磁能的原因日冕加热机制是磁能的原因日冕加热机制是磁能的原因。确实，考虑确实，考虑确实，考虑确实

15、，考虑100 G100 G的磁场和的磁场和的磁场和的磁场和 0.1 km/s 0.1 km/s 的速度，的速度，的速度，的速度，PoyntingPoynting通量（通量（通量（通量（S S v B v B2 2/）的）的）的）的典型值为典型值为典型值为典型值为 10 104 4 W/mW/m2 2 ，足以满足加热需要。，足以满足加热需要。，足以满足加热需要。，足以满足加热需要。但是，在日冕的不同地方，由不同的加热机制起作用。但是，在日冕的不同地方，由不同的加热机制起作用。但是，在日冕的不同地方，由不同的加热机制起作用。但是，在日冕的不同地方，由不同的加热机制起作用。高分辨观测表明高分辨观测表

16、明高分辨观测表明高分辨观测表明X X射线亮点射线亮点射线亮点射线亮点（XBPXBP）似乎包括相互作用的冕环。）似乎包括相互作用的冕环。）似乎包括相互作用的冕环。）似乎包括相互作用的冕环。XBPXBP是在是在是在是在19701970年由年由年由年由火箭成像观测发现的，并由火箭成像观测发现的，并由火箭成像观测发现的，并由火箭成像观测发现的，并由GolubGolub等等等等(1974(1974）根据）根据）根据）根据SkylabSkylab的观测进行了详细研究。现在，的观测进行了详细研究。现在，的观测进行了详细研究。现在，的观测进行了详细研究。现在，YohkohYohkoh卫星观测到更多更丰富的资料

17、并已作了分析。卫星观测到更多更丰富的资料并已作了分析。卫星观测到更多更丰富的资料并已作了分析。卫星观测到更多更丰富的资料并已作了分析。XBP XBP在太阳表面是均匀分布在太阳表面是均匀分布在太阳表面是均匀分布在太阳表面是均匀分布，寿命寿命寿命寿命2-482-48小时（平均小时（平均小时（平均小时（平均8 8小时）小时）小时）小时），位于光球反极性磁场对的上位于光球反极性磁场对的上位于光球反极性磁场对的上位于光球反极性磁场对的上方方方方。第四页，本课件共有39页2023/2/26等离子体天体物理课程讲义等离子体天体物理课程讲义(4)5 假定光球磁场代表浮现磁通量，这已成为假定光球磁场代表浮现磁通

18、量，这已成为假定光球磁场代表浮现磁通量，这已成为假定光球磁场代表浮现磁通量，这已成为XBPXBP的标准解释（的标准解释（的标准解释（的标准解释（HeyvaertsHeyvaerts等等等等19771977，Forbes&Forbes&Priest 1984Priest 1984）。但是）。但是）。但是）。但是HarveyHarvey（19841984）发现）发现）发现）发现2/32/3的的的的XBPXBP位于所谓位于所谓位于所谓位于所谓“对消磁特征对消磁特征对消磁特征对消磁特征”（CMFCMF）之上，）之上，）之上，）之上，即光球反向磁场靠近并对消（即光球反向磁场靠近并对消（即光球反向磁场靠近

19、并对消（即光球反向磁场靠近并对消（Martin 1984Martin 1984）。）。）。）。那么，那么，那么，那么，XBP/CMFXBP/CMF事件究竟是什么过程？事件究竟是什么过程？事件究竟是什么过程？事件究竟是什么过程？首先，由于发亮发生在对消之前，不能将其解释为通量下沉；首先，由于发亮发生在对消之前，不能将其解释为通量下沉；首先，由于发亮发生在对消之前，不能将其解释为通量下沉；首先，由于发亮发生在对消之前，不能将其解释为通量下沉；其次，反向磁极开始相距较远，未见色球纤维将它们联接起来，因此它们是其次，反向磁极开始相距较远，未见色球纤维将它们联接起来，因此它们是其次，反向磁极开始相距较远

20、，未见色球纤维将它们联接起来，因此它们是其次，反向磁极开始相距较远，未见色球纤维将它们联接起来，因此它们是分离的。但是，反向磁极区域应该与背景的磁场联接起来。分离的。但是，反向磁极区域应该与背景的磁场联接起来。分离的。但是，反向磁极区域应该与背景的磁场联接起来。分离的。但是，反向磁极区域应该与背景的磁场联接起来。Priest Priest等等等等(1993)(1993)提出了提出了提出了提出了“汇聚通量模型汇聚通量模型汇聚通量模型汇聚通量模型”（Converging Flux ModelConverging Flux Model）来解释）来解释）来解释）来解释XBPXBP。这个模型。这个模型。

21、这个模型。这个模型包括三个过程，如图所示：包括三个过程，如图所示：包括三个过程，如图所示：包括三个过程，如图所示：(a)(a)相互作用前相相互作用前相相互作用前相相互作用前相：一对极性相反的光球磁场相：一对极性相反的光球磁场相：一对极性相反的光球磁场相：一对极性相反的光球磁场相互靠近。它们由上层覆盖的磁通通道所分离。互靠近。它们由上层覆盖的磁通通道所分离。互靠近。它们由上层覆盖的磁通通道所分离。互靠近。它们由上层覆盖的磁通通道所分离。随着距离的缩小，上层磁通量被挤压在光球层随着距离的缩小，上层磁通量被挤压在光球层随着距离的缩小，上层磁通量被挤压在光球层随着距离的缩小，上层磁通量被挤压在光球层形

22、成中性零点（形成中性零点（形成中性零点（形成中性零点（null pointnull point）。）。）。）。(b)(b)相互作用相相互作用相相互作用相相互作用相：零点向上移动，在日冕中重联产：零点向上移动，在日冕中重联产：零点向上移动，在日冕中重联产：零点向上移动，在日冕中重联产生生生生XBPXBP，形成两个重联被加热的新通量管、一个联，形成两个重联被加热的新通量管、一个联，形成两个重联被加热的新通量管、一个联，形成两个重联被加热的新通量管、一个联接相反极性光球磁场的小通量管、和另一个联接远接相反极性光球磁场的小通量管、和另一个联接远接相反极性光球磁场的小通量管、和另一个联接远接相反极性光球

23、磁场的小通量管、和另一个联接远处的大通量管。处的大通量管。处的大通量管。处的大通量管。(c)(c)对消相对消相对消相对消相 ：极性相反的磁场相互接触并产生：极性相反的磁场相互接触并产生：极性相反的磁场相互接触并产生：极性相反的磁场相互接触并产生光球重联而对消。光球重联而对消。光球重联而对消。光球重联而对消。如果初始的相反极性磁通量正好相等，最终如果初始的相反极性磁通量正好相等，最终如果初始的相反极性磁通量正好相等，最终如果初始的相反极性磁通量正好相等，最终会以光球为界形成上下分离的两个磁场。会以光球为界形成上下分离的两个磁场。会以光球为界形成上下分离的两个磁场。会以光球为界形成上下分离的两个磁

24、场。第五页，本课件共有39页2023/2/26等离子体天体物理课程讲义等离子体天体物理课程讲义(4)6 上述过程的数学描述是将磁场表示成在上述过程的数学描述是将磁场表示成在上述过程的数学描述是将磁场表示成在上述过程的数学描述是将磁场表示成在 z=a 处具有处具有处具有处具有 f 通量的两个源，其中通量的两个源，其中通量的两个源，其中通量的两个源，其中 z=x+i y。于是由这两个源以及背景磁场。于是由这两个源以及背景磁场。于是由这两个源以及背景磁场。于是由这两个源以及背景磁场B0 形成的形成的形成的形成的2 2维磁场维磁场维磁场维磁场（Bx,By）可表示为：可表示为：可表示为：可表示为：当当当

25、当 a d 就得到由于源点驱动在零点产生的磁重联，即就得到由于源点驱动在零点产生的磁重联，即就得到由于源点驱动在零点产生的磁重联，即就得到由于源点驱动在零点产生的磁重联，即相互作用相相互作用相相互作用相相互作用相。要进行数值实验。要进行数值实验。要进行数值实验。要进行数值实验展现上述过程，需要建立势场连续演化的模型。在方程展现上述过程，需要建立势场连续演化的模型。在方程展现上述过程，需要建立势场连续演化的模型。在方程展现上述过程，需要建立势场连续演化的模型。在方程(7.3)(7.3)中的中的中的中的 b2 现在成为负值。于是，磁场现在成为负值。于是，磁场现在成为负值。于是，磁场现在成为负值。于

26、是，磁场在在在在y-y-轴上轴上轴上轴上|b|=(ad-a2)1/2 位置处的位置处的位置处的位置处的X X型中性点上消失。该中性点高度随着型中性点上消失。该中性点高度随着型中性点上消失。该中性点高度随着型中性点上消失。该中性点高度随着 a 的下降而的下降而的下降而的下降而增大直到增大直到增大直到增大直到a=d/2 时达到最大值时达到最大值时达到最大值时达到最大值 d/2，随后当源位置到达原点时又下降到，随后当源位置到达原点时又下降到，随后当源位置到达原点时又下降到，随后当源位置到达原点时又下降到0。是上层通道的是上层通道的半宽半宽，而，而d=2f/(B0)称为称为相互作用距离相互作用距离（i

27、nteraction distance）。）。在在在在相互作用前相相互作用前相相互作用前相相互作用前相，假定源点以远小于阿尔芬速的速度靠近，使得磁场通过由，假定源点以远小于阿尔芬速的速度靠近，使得磁场通过由，假定源点以远小于阿尔芬速的速度靠近，使得磁场通过由，假定源点以远小于阿尔芬速的速度靠近，使得磁场通过由(7.2)(7.2)所示的势场产生一系列演化。当源位置靠近使所示的势场产生一系列演化。当源位置靠近使所示的势场产生一系列演化。当源位置靠近使所示的势场产生一系列演化。当源位置靠近使a 减少时，通道的半宽减少时，通道的半宽减少时，通道的半宽减少时，通道的半宽(b)也下降但保持也下降但保持也下

28、降但保持也下降但保持磁通量守恒，直到半宽等于相互作用距离磁通量守恒，直到半宽等于相互作用距离磁通量守恒，直到半宽等于相互作用距离磁通量守恒，直到半宽等于相互作用距离(d)，在坐标原点形成零点。，在坐标原点形成零点。，在坐标原点形成零点。，在坐标原点形成零点。其中：其中：请更正请更正在远处成为背景均匀磁场在远处成为背景均匀磁场在远处成为背景均匀磁场在远处成为背景均匀磁场iB0，在，在，在，在y-轴形成由原点伸展到轴形成由原点伸展到轴形成由原点伸展到轴形成由原点伸展到z=ih的电流片。的电流片。的电流片。的电流片。如果没有产生磁重联，则拓扑保持不变而形成一个电流片。于是磁能如果没有产生磁重联，则拓

29、扑保持不变而形成一个电流片。于是磁能如果没有产生磁重联，则拓扑保持不变而形成一个电流片。于是磁能如果没有产生磁重联，则拓扑保持不变而形成一个电流片。于是磁能(W)将超过将超过将超过将超过势场能量势场能量势场能量势场能量(W0)，其差值正好是可被磁重联释放而形成亮点的能量。磁场是：，其差值正好是可被磁重联释放而形成亮点的能量。磁场是：，其差值正好是可被磁重联释放而形成亮点的能量。磁场是：，其差值正好是可被磁重联释放而形成亮点的能量。磁场是：第六页，本课件共有39页2023/2/26等离子体天体物理课程讲义等离子体天体物理课程讲义(4)7 由电流片上通量守恒的条件给出电流片的长度为：由电流片上通量

30、守恒的条件给出电流片的长度为：由电流片上通量守恒的条件给出电流片的长度为：由电流片上通量守恒的条件给出电流片的长度为：h=(d 2-a 2)1/2，其值在，其值在，其值在，其值在a a由由由由d d 降到降到降到降到0 0时，由时，由时，由时，由0 0增长到增长到增长到增长到d d。当。当。当。当d=5-10 Mmd=5-10 Mm 时，可以计算出能量（时，可以计算出能量（时，可以计算出能量（时，可以计算出能量（WW）的大小具有观测结果的）的大小具有观测结果的）的大小具有观测结果的）的大小具有观测结果的量级：量级：量级：量级：31020 31021 J J（3 1027 31028 erg e

31、rg）。）。）。）。可见光球面被可见光球面被可见光球面被可见光球面被4 4 根与两个根与两个根与两个根与两个X X型中性点型中性点型中性点型中性点相联的奇异分界线相联的奇异分界线相联的奇异分界线相联的奇异分界线分成了分成了分成了分成了4 4个拓扑不同个拓扑不同个拓扑不同个拓扑不同的区域，每个区域的区域，每个区域的区域，每个区域的区域，每个区域中只含联接两个磁中只含联接两个磁中只含联接两个磁中只含联接两个磁极的磁力线。极的磁力线。极的磁力线。极的磁力线。当中心磁极向右边当中心磁极向右边当中心磁极向右边当中心磁极向右边移动时，磁通量从一个移动时，磁通量从一个移动时，磁通量从一个移动时，磁通量从一个

32、区域传递到另一个区域，区域传递到另一个区域，区域传递到另一个区域，区域传递到另一个区域，而应该发亮的重联磁力而应该发亮的重联磁力而应该发亮的重联磁力而应该发亮的重联磁力线与观测到的亮点形状线与观测到的亮点形状线与观测到的亮点形状线与观测到的亮点形状一致。一致。一致。一致。Priest Priest等（等（等（等（19931993）分析了）分析了）分析了）分析了NIXTNIXT于于于于19911991年年年年7 7月月月月1111日观测到的日观测到的日观测到的日观测到的XBPXBP事件。在全事件。在全事件。在全事件。在全日面像上有一个活动区，周围是日面像上有一个活动区，周围是日面像上有一个活动区

33、，周围是日面像上有一个活动区，周围是5 5个个个个XBPXBP。在其中一个亮点下的光球磁图显示。在其中一个亮点下的光球磁图显示。在其中一个亮点下的光球磁图显示。在其中一个亮点下的光球磁图显示有有有有4 4个磁通源，用磁极表示，两正两负。计算的磁力线在光球层的分布如下图个磁通源，用磁极表示，两正两负。计算的磁力线在光球层的分布如下图个磁通源，用磁极表示，两正两负。计算的磁力线在光球层的分布如下图个磁通源，用磁极表示，两正两负。计算的磁力线在光球层的分布如下图所示。所示。所示。所示。在三维情况下，奇异分界线集合形成拱顶状的曲面，它们在一条称为在三维情况下，奇异分界线集合形成拱顶状的曲面，它们在一条

34、称为在三维情况下，奇异分界线集合形成拱顶状的曲面，它们在一条称为在三维情况下，奇异分界线集合形成拱顶状的曲面，它们在一条称为separatorseparator的磁力线上相交，该的磁力线上相交，该的磁力线上相交，该的磁力线上相交，该磁力线连接光球的两个中性点。图示为磁力线连接光球的两个中性点。图示为磁力线连接光球的两个中性点。图示为磁力线连接光球的两个中性点。图示为3 3维磁重联的过程。维磁重联的过程。维磁重联的过程。维磁重联的过程。两条磁力线向两条磁力线向两条磁力线向两条磁力线向SeparatorSeparator靠近靠近靠近靠近从从从从SeparatorSeparator移开之前在两个移开

35、之前在两个移开之前在两个移开之前在两个中性点处重联中性点处重联中性点处重联中性点处重联第七页，本课件共有39页2023/2/26等离子体天体物理课程讲义等离子体天体物理课程讲义(4)8 Parnell Parnell等（等（等（等（19941994）分析了图）分析了图）分析了图）分析了图1 1（b b）中）中）中）中NIXTNIXT于于于于19911991年年年年7 7月月月月1111日观测到的蝴蝶型日观测到的蝴蝶型日观测到的蝴蝶型日观测到的蝴蝶型XBPXBP事件。事件。事件。事件。他们认为这是一个刚刚开始发亮的事件。于是重联导致加热的等离子体形成上述形状。他们认为这是一个刚刚开始发亮的事件。

36、于是重联导致加热的等离子体形成上述形状。他们认为这是一个刚刚开始发亮的事件。于是重联导致加热的等离子体形成上述形状。他们认为这是一个刚刚开始发亮的事件。于是重联导致加热的等离子体形成上述形状。第八页，本课件共有39页2023/2/26等离子体天体物理课程讲义等离子体天体物理课程讲义(4)9 在在在在汇聚通量模型汇聚通量模型汇聚通量模型汇聚通量模型中提出的中提出的中提出的中提出的通过足点运动驱动日冕磁重联过程通过足点运动驱动日冕磁重联过程通过足点运动驱动日冕磁重联过程通过足点运动驱动日冕磁重联过程可能是基本加可能是基本加可能是基本加可能是基本加热过程。它不仅仅能加热热过程。它不仅仅能加热热过程。

37、它不仅仅能加热热过程。它不仅仅能加热XBPXBP，也能加热，也能加热，也能加热，也能加热冕环冕环冕环冕环，甚至可通过超米粒元边缘的磁通，甚至可通过超米粒元边缘的磁通，甚至可通过超米粒元边缘的磁通，甚至可通过超米粒元边缘的磁通相互作用，加热相互作用，加热相互作用，加热相互作用，加热冕洞冕洞冕洞冕洞。确实，上述等离子体流的驱动过程也可以驱动太阳风。确实，上述等离子体流的驱动过程也可以驱动太阳风。确实，上述等离子体流的驱动过程也可以驱动太阳风。确实，上述等离子体流的驱动过程也可以驱动太阳风。7.2 7.2 开放磁场区域（冕洞）开放磁场区域（冕洞）开放磁场区域（冕洞）开放磁场区域（冕洞）磁场波动加热磁

38、场波动加热磁场波动加热磁场波动加热 Priest Priest认为冕洞是由阿尔芬波加热的（认为冕洞是由阿尔芬波加热的（认为冕洞是由阿尔芬波加热的（认为冕洞是由阿尔芬波加热的（Hollweg 1983Hollweg 1983，Roberts 1984Roberts 1984，Goossens 1991Goossens 1991）。当阿尔芬波在冕洞中向外）。当阿尔芬波在冕洞中向外）。当阿尔芬波在冕洞中向外）。当阿尔芬波在冕洞中向外传播时，其主要耗散方式是相位混合（传播时，其主要耗散方式是相位混合（传播时，其主要耗散方式是相位混合（传播时，其主要耗散方式是相位混合（Heyvaerts&Priest

39、Heyvaerts&Priest 19831983）。）。）。）。最简单的模型是考虑磁场最简单的模型是考虑磁场最简单的模型是考虑磁场最简单的模型是考虑磁场B0(x)为为为为z z方向的，垂直向上；而阿尔方向的，垂直向上；而阿尔方向的，垂直向上；而阿尔方向的，垂直向上；而阿尔芬度随芬度随芬度随芬度随x x增长。假定足点在增长。假定足点在增长。假定足点在增长。假定足点在y y方向上前后振动，在日冕中产生等离子体方向上前后振动，在日冕中产生等离子体方向上前后振动，在日冕中产生等离子体方向上前后振动，在日冕中产生等离子体速度速度速度速度v(x,y,t)和磁场和磁场和磁场和磁场B1(x,y,t)。理想。

40、理想。理想。理想MHDMHD方程退化为如下的简单方程退化为如下的简单方程退化为如下的简单方程退化为如下的简单波动方程：波动方程：波动方程：波动方程：方程的解具有方程的解具有方程的解具有方程的解具有的形式，其中（的形式，其中（7.5）确定的波数是：）确定的波数是：第九页，本课件共有39页2023/2/26等离子体天体物理课程讲义等离子体天体物理课程讲义(4)10 由此由此由此由此可得连续波长谱。沿不同磁力线传播的波具有不同的波长：可得连续波长谱。沿不同磁力线传播的波具有不同的波长：可得连续波长谱。沿不同磁力线传播的波具有不同的波长：可得连续波长谱。沿不同磁力线传播的波具有不同的波长：短波处磁场弱

41、短波处磁场弱短波处磁场弱短波处磁场弱而长波处磁场强而长波处磁场强而长波处磁场强而长波处磁场强。结果导致相邻磁力线上波动的相位在空间上混合起来。结果导致相邻磁力线上波动的相位在空间上混合起来。结果导致相邻磁力线上波动的相位在空间上混合起来。结果导致相邻磁力线上波动的相位在空间上混合起来。如果所有的磁力线在它们的足点处同相振动，则随着波向上传播越来越远，如果所有的磁力线在它们的足点处同相振动，则随着波向上传播越来越远，如果所有的磁力线在它们的足点处同相振动，则随着波向上传播越来越远，如果所有的磁力线在它们的足点处同相振动，则随着波向上传播越来越远，会逐渐变得相差越来越大，产生在会逐渐变得相差越来越

42、大，产生在会逐渐变得相差越来越大，产生在会逐渐变得相差越来越大，产生在x方向的陡变梯度。方向的陡变梯度。方向的陡变梯度。方向的陡变梯度。确实，对速度的表达式求导数可得：确实，对速度的表达式求导数可得：确实，对速度的表达式求导数可得：确实，对速度的表达式求导数可得：因此，梯度随着高度线性增长，直到耗散成为主要过程。通常，波动经过几个波长的高度就因此，梯度随着高度线性增长，直到耗散成为主要过程。通常，波动经过几个波长的高度就因此，梯度随着高度线性增长，直到耗散成为主要过程。通常，波动经过几个波长的高度就因此，梯度随着高度线性增长，直到耗散成为主要过程。通常，波动经过几个波长的高度就变得耗散起来。变

43、得耗散起来。变得耗散起来。变得耗散起来。像冕环和冕拱这样的封闭磁场区域可由驻波的相位混合加热。对于这样的波可以固定像冕环和冕拱这样的封闭磁场区域可由驻波的相位混合加热。对于这样的波可以固定像冕环和冕拱这样的封闭磁场区域可由驻波的相位混合加热。对于这样的波可以固定像冕环和冕拱这样的封闭磁场区域可由驻波的相位混合加热。对于这样的波可以固定k k而假定而假定而假定而假定(x)=kz vA(x)，于是我们得到连续的波动频谱而不是连续波长谱，这时波动相位是，于是我们得到连续的波动频谱而不是连续波长谱，这时波动相位是，于是我们得到连续的波动频谱而不是连续波长谱，这时波动相位是，于是我们得到连续的波动频谱而

44、不是连续波长谱，这时波动相位是在时间而不是空间上混合。在时间而不是空间上混合。在时间而不是空间上混合。在时间而不是空间上混合。通常处理这样的问题是对时间进行付立叶分析，然后在复平面上进行复杂而又有通常处理这样的问题是对时间进行付立叶分析，然后在复平面上进行复杂而又有通常处理这样的问题是对时间进行付立叶分析，然后在复平面上进行复杂而又有通常处理这样的问题是对时间进行付立叶分析，然后在复平面上进行复杂而又有趣的付立叶反变换。趣的付立叶反变换。趣的付立叶反变换。趣的付立叶反变换。但是，但是，但是，但是，Cally(1991)Cally(1991)最近实现了一个等价而又更简单的空间付立叶分析处理方法。

45、最近实现了一个等价而又更简单的空间付立叶分析处理方法。最近实现了一个等价而又更简单的空间付立叶分析处理方法。最近实现了一个等价而又更简单的空间付立叶分析处理方法。他在他在他在他在x=0和和和和x=之间假设初始位移为之间假设初始位移为之间假设初始位移为之间假设初始位移为(x,0)=sin x，而随后的等离子体位移为：，而随后的等离子体位移为：，而随后的等离子体位移为：，而随后的等离子体位移为：最终关于最终关于最终关于最终关于an 的方程需要数值求解。的方程需要数值求解。的方程需要数值求解。的方程需要数值求解。第十页，本课件共有39页2023/2/26等离子体天体物理课程讲义等离子体天体物理课程讲

46、义(4)11 如图所示，计算结果表明：经过如图所示，计算结果表明：经过如图所示，计算结果表明：经过如图所示，计算结果表明：经过几个周期，当不同的谐波被激励以后，几个周期，当不同的谐波被激励以后，几个周期，当不同的谐波被激励以后，几个周期，当不同的谐波被激励以后，合成的位移在空间发生许多振荡。激合成的位移在空间发生许多振荡。激合成的位移在空间发生许多振荡。激合成的位移在空间发生许多振荡。激波能量被转换到一次谐波，然后是二波能量被转换到一次谐波，然后是二波能量被转换到一次谐波，然后是二波能量被转换到一次谐波，然后是二次、三次次、三次次、三次次、三次依次下去直到相位混合。依次下去直到相位混合。依次下

47、去直到相位混合。依次下去直到相位混合。相同的过程可能会在其他偏振情况中发生。相同的过程可能会在其他偏振情况中发生。相同的过程可能会在其他偏振情况中发生。相同的过程可能会在其他偏振情况中发生。例如，传播方向具有不同性质的情况，但方程例如，传播方向具有不同性质的情况，但方程例如，传播方向具有不同性质的情况，但方程例如，传播方向具有不同性质的情况，但方程要复杂得多。这时，在不可压缩流体情况下，要复杂得多。这时，在不可压缩流体情况下，要复杂得多。这时，在不可压缩流体情况下，要复杂得多。这时，在不可压缩流体情况下，对对对对t t和和和和z z进行付立叶分析，使得进行付立叶分析，使得进行付立叶分析，使得进

48、行付立叶分析，使得其中其中其中其中 0 0=0(x)，vA=vA(x)，在，在，在，在 2 k k2v vA A 2 =0=0 时具有奇异点。时具有奇异点。时具有奇异点。时具有奇异点。这就是这就是这就是这就是谐振吸收过程谐振吸收过程谐振吸收过程谐振吸收过程，它可以加热封闭磁场区域。，它可以加热封闭磁场区域。，它可以加热封闭磁场区域。，它可以加热封闭磁场区域。声波或快波可以在超米粒元的中心或磁拱下向上传播，然后会在声波或快波可以在超米粒元的中心或磁拱下向上传播，然后会在声波或快波可以在超米粒元的中心或磁拱下向上传播，然后会在声波或快波可以在超米粒元的中心或磁拱下向上传播，然后会在vA=/k的临界

49、面的临界面的临界面的临界面上耗散其能量。于是当地阿尔芬速等于波的相速，从而出现方程上耗散其能量。于是当地阿尔芬速等于波的相速，从而出现方程上耗散其能量。于是当地阿尔芬速等于波的相速，从而出现方程上耗散其能量。于是当地阿尔芬速等于波的相速，从而出现方程(7.7)(7.7)中的奇异性。中的奇异性。中的奇异性。中的奇异性。而速度幅度满足下列方程：而速度幅度满足下列方程：而速度幅度满足下列方程：而速度幅度满足下列方程：第十一页，本课件共有39页2023/2/26等离子体天体物理课程讲义等离子体天体物理课程讲义(4)12 7.3 7.3 封闭磁场区域（冕环）封闭磁场区域（冕环）封闭磁场区域（冕环）封闭磁

50、场区域（冕环）电流片加热电流片加热 在冕环和冕拱里，足点的缓慢移动使得日冕磁场试图通过一系列平衡位在冕环和冕拱里，足点的缓慢移动使得日冕磁场试图通过一系列平衡位在冕环和冕拱里，足点的缓慢移动使得日冕磁场试图通过一系列平衡位在冕环和冕拱里，足点的缓慢移动使得日冕磁场试图通过一系列平衡位型演化。但是，这些平衡位型不是平滑的，而是含有允许出现耗散的奇异性型演化。但是，这些平衡位型不是平滑的，而是含有允许出现耗散的奇异性型演化。但是，这些平衡位型不是平滑的，而是含有允许出现耗散的奇异性型演化。但是，这些平衡位型不是平滑的，而是含有允许出现耗散的奇异性（电流片或暗条）。可以由多种方式形成这样的奇异性，即