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1、1999年地球物理学进展第14卷增刊日冕物质抛射的能量来源陈敬英林隽夏志国(中国科学院云南天文台,昆明650011)(中国科学院国家天文观测中心)摘要:观测表明,日冕物质抛射(CME)伴随着闭合磁场形成开放的过程理论研究指出,磁场在CME过程中起主导作用,而且对应于相同的边界条件,开放场中储存的磁能最多一个系统如何能在向外输送能量的同时增加自身的能量?本文就该问题进行了讨论关键词:日冕物质抛射;Aly-Sturrock极限;磁场能量文章编
2、号:1004-2903(1999)S0-0075-04当日冕磁场受到大规模扰动时,一部分物质和磁通量就会被抛入行星际空间,形成日冕物质抛射自从1973年日冕物质抛射被首次观测到以来,已有大量的观测和理论研究工作发表,从各个不同的方面对日冕物质抛射进行了深入的研究(Forbesetal1995,Webbetal1994和Low1996)但对CME本质的认识仍然不算是完整观测表明,伴随着CME的进行,原先封闭的磁拱被驱使着向外扩张,并有可能最终形成开放场从表面上看,这一过程并不复杂,但一个闭合
3、的磁场如何发展成开放的磁场却构成了到目前为止所有CME理论模型遇到的主要困难之一低层日冕中(即气压与磁压之比)值很小,使得无力场结构占主导地位,所有的电流走向基本与附近磁场方向平行对于简单连接的无力场位形(所有磁力线都与光球相接),开放场是具有最高能量的状态因此,在磁场力本身的驱动下,将一个闭合的磁结构打开并释放出能量(用于加速和加热等离子体和加速高能粒子)似乎是不可能实现的Low&Smith(1993)指出,CME发生之前,储存在磁场中的能量,必须完成三个任务:第一,打开封闭的磁场;第
4、二,克服引力将等离子体送入行星际空间;第三,将等离子体加速到每秒几百公里的速度一个完整的CME模型中,必须要包括足够的能量来达到这三个目的Barnes&Sturrock(1972)用数字模拟的方法研究了一个轴对称区域内简单连接的无力闭合磁场演化为开放场的过程他们得出的结论是:随着光球边界条件的演化,磁力线的足点会围绕对称轴扭转,当扭转超过180后,上述简单联结的闭合无力场中储存的能量将超过相应的开放场中的能量Aly(1984年,1991年)重新考察了Barnes&Sturrock的模型,
5、发现该模型是在一个轴对称的圆柱区域内构造的,在实际的太阳大气环境中,侧面和顶部的边界实际上是不存收稿日期:1999年5月26日76地球物理学进展1999年在的当把这两部分边界除去后,Barnes&Sturrock原先的结论便不再成立这促使Aly以及后来Sturrock(1991)进一步研究了闭合场和开放场中的能量问题,得出了著名的结论:在具有轴对称性的开放空间中,对应于光球表面相同的边界条件,任何简单联接的闭合无力场结构中的磁场能量都不会超过
6、开放场中的磁场能量如果光球背景场相当于一个位于日心的偶极子场,那么开放场中储存的能量是相应的偶极子势能的1662倍这就是著名的Aly-Sturrock极限Mikic&Linker(1994)研究了一个闭合轴对称简单联结,无力磁拱系的演化特征,他们使用的边界条件对应于偶极场当磁拱的足点发生剪切时,整个磁拱系会向外扩张(足点除外),其中的磁能也在增加,当足点的剪切超过临界值后,磁拱的顶部会扩张到无穷远处,实际上形成了开放场,其中的能量也趋于相应势场的1662倍,但不会超过这一极限这进一步
7、证实了Aly和Sturrock的结论在非无力场的情况下,可以使闭合场中的能量超过开放场的能量在这种情况下,事实上,总能量中包括了气压的贡献(Wolfson&Low1992和Wolfson&Dlamini1997)当形成开放场后,等离子体气压对总能量的贡献降低了很多,导致总的能量也明显下降,因此开放场中的能量低于闭合场中的能量但低层日冕的低环境使得气压的作用明显可以忽略,以增加气压来增加闭合场中的能量并不能真正克服CME模型的能量困难对于非简单联结的无力场结构,其中包含有电流片和其它形式
8、的电流结构,比如磁通量绳(Wagneticflux-rope),有一部分磁力线不和光球相接,在电流片和磁通量绳当中可能会储存有较多的能量,使得闭合无力场中的能量超过开放场当中的能量包含有非简单联结磁场结构的CME模型最早的研究由VanTend&Kuperus(1978),VanTend(1979)和Martens&Kuin(1989)开始考虑到低日冕层中的高导电率,这类模型又被进一步发展为理想MHD无力场模型(Forbes&Isenberg1991和Forbes&Priest1
