日冕物质抛射的模型和观测

1. 日冕物质抛射的模型和观测 张枚 High Altitude Observatory, NCAR, USA

2. 太 阳 • 太阳内部: • 发电机 • 光球层: • 太阳磁场 • 太阳活动周 • 太阳日冕: • CME

3. 光球层：磁浮现作为太阳内部发电机的结果和太阳日冕活动的源泉光球层：磁浮现作为太阳内部发电机的结果和太阳日冕活动的源泉 86.01.20 89.02.04 96.03.22 太阳活动周：11年，光球磁场反转。

4. 研究太阳日冕物理的意义 • 太阳日冕: 作为太阳内部发电机的“消费者”。 • 太阳日冕: 作为日地活动的“发动者”。 • 太阳日冕: 磁流体力学的实验室。 关键：磁场对磁流体的作用

5. 太阳日冕：磁等离子流体 • 作为温度百万度的磁等离子流体 • 作为完全电导体 • 磁雷诺数: • 以磁场为主导的等离子体 (低值)

6. 日冕中的现象:日冕物质抛射

7. 日冕中的现象:暗条和日饵 Solar cycle magnetic fields

8. 日冕中的现象:耀斑 cycle magnetic fields

9. 日冕磁场 • 日冕：以磁场为主导的磁流体 • 但目前我们仍不能有效地直接测量日冕磁场 • 出路： • 日冕图象 (利用日冕的 磁冻结效应) • 设备发展 • 磁流体力学计算

10. 内容 • 磁流体力学理论： • 日冕磁场的反转 • 磁绳的形成 • 快速和慢速日冕物质抛射模型 • 快速和慢速日冕物质抛射的模型和观测

11. 日冕磁场的反转 （Zhang & Low 2001，ApJ, 561, 406） （Zhang & Low 2002，ApJ, 576,1005） • 磁场总是寻求其最小能量态（如势场）。 • 但是，由于日冕是完全电导体（磁损耗几近零），当新磁通浮现时，新磁通不能与旧磁通立即混合而形成势场。

14. 日冕整体磁场的反转过程： 开始时, 新活动周磁通相对于旧活动周磁通较小，此时日冕整体磁场尚未反转 。 但是,在此阶段，磁场有能量使磁场部分打开，形成CME，从而带走一部分旧活动周磁通。 随着越来越多的新活动周磁通的浮现和越来越多的旧活动周磁通被带走,新活动周磁通相对于旧活动周磁通比例超过临界值，此时日冕整体磁场反转.

15. 与观测比较 (Adapted from Hundhausen 1993)

16. 磁绳的形成 (Zhang & Low 2002, ApJ, submitted.) • 磁绳(flux rope) • 磁螺度( ) 和 磁螺度守恒 • Taylor relaxation

17. 磁绳的形成 Fe/Fo=0.44 H=98

18. 快速和慢速日冕物质抛射的理论和观测 • B. C. Low & M. Zhang 2002, ApJL, 564, L53. • M. Zhang et al. 2002, ApJL, 574, L97. • M. Zhang & L. Golub 2002, ApJL, submitted.

19. 快速日冕物质抛射 慢速日冕物质抛射 Normal日饵: 日饵磁场的水平分量与日饵下光球磁场方向相同 少数 (10%) Inverse 日饵: 日饵磁场的水平分量与日饵下光球磁场方向相反 大多数 (90%)

20. Inverse日饵: 产生慢速CME • Normal 日饵:产生快速 CME (磁重联)

21. Inverse日饵 --- 慢速CME(Liu, Zhao, Wu and Scherrer, in prepare)

22. Normal 日饵--- 快速 CME

23. 速度 • (solid line: fast CME --- normal prominence case) • (dotted line: slow CME --- inverse prominence case)

24. 模型预言：快速和慢速CME的不同特性 • 磁绳磁场的方向与环境磁场的方向 • (快速CME–新活动周磁通 – 活动区) • 电流片的位置 • 慢速CME - 磁绳下方 • 快速CME - 磁绳上方 • 电流片的形态 • 慢速CME–垂直平面 • 快速CME - 曲面 • 磁重联对CME激发的作用 • 慢速CME - 不需要 • 快速CME - 需要

25. 与快速和慢速CME相关的耀斑的时间特征 • 模型预测: • 快速CME: 磁重联应发生在CME爆发的早期阶段。 • 慢速CME: 磁重联不需要发生在CME爆发的早期阶段。 • 观测: 73个与CME相关的耀斑 • 13 X级耀斑 • 60 M级耀斑 • 30 快速CME • 43 慢速CME (Zhang, Golub, Deluca, Burkepile, ApJL, 574，L97 )

26. 结果

27. 利用Nitta and Akiyama (1999) 数据

28. 与快速和慢速CME相关的耀斑的形态研究 • 28个X级或M级耀斑 • 10个与快速CME相关 • 10个与慢速CME相关 • 8个与CME弱相关或无关 • TRACE资料（高时间分辨率、高空间分辨率） (Zhang & Golub, ApJL, submitted )

29. 与快速CME相关的耀斑

30. 与慢速CME相关的耀斑

31. 小结 • 通过磁流体力学计算，我们可以了解和推测一些日冕物理过程，如：日冕整体磁场的反转过程、日冕中磁绳的形成，以及快速和慢速日冕物质抛射的形成。 • 从磁流体力学理论出发，我们提出了快速和慢速日冕物质抛射源于不同磁拓扑结构的理论，并提出了一些可以用来作观测检验的理论预言。初步的观测检验（时间特征、形态特征）结果均与理论预言相符。

32. 参考文献 • M. Zhang, B. C. Low, 2001, The Astrophysical Journal, 561, 406. • B. C. Low, M. Zhang, 2002, The Astrophysical Journal Letter, 564, L53. • M. Zhang, L. Golub, E. DeLuca, J. Burkepile, 2002, The Astrophysical JournalLetter, 574, L97. • M. Zhang, B. C. Low, 2002, The Astrophysical Journal, 576, 1005. • M. Zhang, B. C. Low, 2002, Magnetic-flux emergence into the solar corona. III. The role of total helicity conservation, The Astrophysical Journal, submitted. • M. Zhang, L. Golub, 2002, The dynamical morphologies of flares associated with the two types of solar coronal mass ejections, The Astrophysical Journal, submitted. • B. C. Low, M. Zhang, 2002, Global magnetic field reversal in the corona (Invited chapter), in AGU Geophysical Monograph “Solar variability and its effect on the earth’s atmospheric and climate system”, ed. Judit Pap et al., in press. 

33. 谢 谢！ Thank you.