太阳磁场的有力场外推

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1、作者姓名密级中国科学院大学UniversityofChineseAcademyofSciences博士学位论文太阳磁场的有力场外推朱小帅指导教师王华宁研究员，杜占乐研究员中国科学院国家天文台学位类别理学博士学科专业天体物理培养单位中国科学院国家天文台2013年5月Typesetby嘟2eatMay8．2013WithpackageCASthesisv0．1jofcagx．ORGFc)rcedg：ticfieldForcedmagneticheldextrapolationofthesolaratmosphereB

2、yXiao．ShuaiZhUADissertationSubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofPh．D．ofScienceNationalAstronomicalObservatoriesChineseAcademyofSciencesMay，2013摘要磁场外推是重构日冕磁场最重要的手段，对于理解太阳活动有重要意义。本文力图通过磁流体动力学(Magnetohy

3、drodynamics，MHD)数值模拟手段推动外推的发展，主要研究成果有：(1)提出磁声波特征线法解决ZEUS“稀疏激波”问题ZEUS是天体物理中广泛使用的MHD程序。针对其存在的“稀疏激波”问题，我们仔细分析ZEUS格式本身，发现其主要是由于源项的计算采用中心差分格式造成的。物理上，这表明ZEUS未能精确的计算压缩波。类比ZEUS中处理Alfvdn波时采用的特征线(Methodol’Char·acteristics，MoC)法，我们提出了通过构造磁声波特征线(MagnetosonieCha'l·acte'，·

4、istics，MsC)来计算压缩波，从而构造出时空二阶精度的源项计算格式。将MsC算法与ZEUS计算Alfvdn波的ConsistentMethodofCharacteristicsfCMoC)算法相结合，就构成了我们的ZEUS—MsC程序。在实验测试中，ZEUS—MsC程序能在不借助于人工粘滞的情况下，基本解决“稀疏激波”问题，并能减少某些激波后震荡，提高了ZEUS的稳定性。我们使用ZEUS—MsC进行过的计算有Titov&Ddmoulin三维缠绕磁结构松弛，磁流管浮现模拟等。(2)利用MHD松弛法对日冕磁场进

5、行有力场外推非线性无力场外推经过三十多年的发展，己成为有效的方法广泛应用于研究日冕磁场结构。但光球上的Lorentz力与无力场假设的不自洽性，严重制约着外推的重构能力。针对此问题，我们进一步发展了MHD松弛法，在初始条件中引入反应太阳真实的大气模型，这个模型包含光球、色球和日冕的热力学量随高度变化。在这样的初始条件下对磁图进行松弛，可重构出稳定的有力场。为了能够量化的检验这种有力场外推的能力，就必须要有一个三维的有力场作为参考模型。我们选取了磁流管从对流区向日冕浮现这样一个模拟的最终状态，作为类似太阳实际状态的三

6、维有力场参考模型。对这个参考模型进行外推的结果显示我们的有力场重构LtWiegelmamz的优化方法外推更加准确。不仅如此，松弛过程中还提高了密度和压力的重构精度。太阳磁场的有力场外推本论文的第一部分工作提高了ZEUS的稳定性，便于人们更好地利用ZEUSI具进行数值模拟。第二部分工作，不仅使人们认识到现有的外推工具重构太阳磁场的能力，并且推动了外推从无力场向有力场的发展。这些都为以后更深入地研究太阳活动提供了基础。关键词：数值模拟，特征线，有力场外推AbstractMagneticfieldextrapolati

7、onfromthephotosphereobservationsisthemostimportantwaytoreconstructthecoronalmagneticfield．Studyoftheextrapola-tionmethodissignificantforUStounderstandthesolaractivities．Thepurposeofthisthesisistopromptthedevelopmentofextrapolationtechniquebymag—netohydrodynam

8、ics(MHD)simulation．Themainpointsofourstudyarelistedasbelow：(1)ProposeaMagnetosonicCharacteristics(MsC)methodtosolvethe“rar-efactionshock”probleminZEUSfamilyofcodeswhichsimulatethethree—di