日地空间太阳风的辐射磁流体数值模拟研究

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1、第34卷　第4期天文学进展Vol.34,No.42016年11月PROGRESSINASTRONOMYNov.,2016doi:10.3969/j.issn.1000-8349.2016.04.05日日日地地地空空空间间间太太太阳阳阳风风风的的的辐辐辐射射射磁磁磁流流流体体体数数数值值值模模模拟拟拟研研研究究究李波(山东大学空间科学研究院，威海264209)摘要：对辐射磁流体力学(RMHD)在内日球太阳风数值模拟研究中的应用进行了简要回顾。在太阳风研究中，太阳风的起源问题是关键科学问题之一，也是近期国际重要空间计划的首要科学目标。首先简述了太阳风起源问题的现有认

2、识，表明新生太阳风如何加速到数百千米每秒是研究太阳风起源问题的关键，它很可能是开场区日冕和太阳风加热的直接后果。简介了太阳风数值模拟中物理描述及数值实现的常用方案，表明自洽地刻画太阳风能量输运过程需要合理计入辐射效应。最后简述了多维太阳风数值模拟研究的进展，特别关注了辐射的处理，并对RMHD在内日球太阳风数值模拟研究中的应用做了展望。关键词：太阳风；辐射；磁流体力学中中中图图图分分分类类类号号号：：：P353.8文文文献献献标标标识识识码码码：：：A1内日球太阳风研究中的重要科学问题1.1概述辐射磁流体力学(RMHD)能自洽地考虑辐射场与磁流体间的能动量耦合，因

3、而在天体、[1]空间及实验室等离子体物理研究中起着越来越重要的作用。本文将力图阐明太阳风起源问题是内日球太阳风研究中的重要科学问题之一，且太阳大气各圈层间的耦合很可能在太阳风起源中起着重要作用。由于辐射在光球、色球、过渡区及低日冕等圈层的动力学及热力学演化中的关键地位，RMHD也应在太阳风起源问题的理论及模型研究中得到更广泛、更深刻的应用。太阳风是弥漫于整个日球(Heliosphere)的高速带电粒子流，它和它携带的磁场是太阳与整个日球联系的纽带，太阳风与星际介质的相互作用还决定着日球的形状、尺寸及边界结收稿日期：2016-08-30；修回日期：2016-10-

4、12资助项目：国家自然科学基金(41174154,41274176,41474149)通讯作者：李波，bbl@sdu.edu.cn416天文学进展34卷[2,3]构。此外，太阳高能粒子以及日冕物质抛射等可能危及地球空间环境，而它们在由近日区[4,5]向行星际空间传播的过程中，会受到背景太阳风的可观影响。因而了解太阳风的性质不仅具有天文学上的一般重要性，而且对于准确预报有灾害性影响的空间天气事件也具有重要价值。本文所称“内日球”，指的是日心距在1AU内的那部分日球。内日球太阳风研究中，太阳风的起源问题(包括源区的认证以及初生太阳风由数km
s−1加速至数百km
s

5、−1的机制)占据着重要地位，同时也是空间物理领域悬而未决的课题之一。欧空局(ESA)将于2018年10月发射的SolarOrbiter飞船的近日点为0.28AU，在纬向可到达日心纬度34◦，其首要科学目标即为“什么驱动了太阳风？”À。此外，NASA将于2018年7月底发射的SolarProbePlus飞船将贴近黄道面飞行，但其近日点将为日心距离9.5R⊙处。之所以要到这一前所未闻的近距离来观测太阳，是因为SolarProbePlus的科学目标就是解决“日冕加热与太阳风加速”问题，而在此目标之下，首要的两个科学问题就是“确定太阳风源区磁场的结构和动力学”以及“追踪

6、用以加热日冕和加速太阳风的能量的流动”Á。1.2太阳风起源的现有认识“太阳风的起源”问题首先意味着“太阳风起源于太阳何处”这一问题。其研究通常基于太阳风的就地探测性质及其与太阳表面结构的相关性来进行。太阳风的源区归类如下：1)高速流(质子流速&600km
s−1)无争议地来自冕洞；2)低速流(质子流速.400km
s−1)来自冕盔及活动区之上的日球电流片附近的非活动区域；3)太阳高年时，绝大部分日球都被[6]来自活动区的低速流所填充。事实上，近年来Hinode飞船上EIS、XRT等仪器的观测表[7]明，低速流的源区可能很广泛，如冕洞–冕流的边界、宁静区和小冕洞等

7、。“太阳风的起源”问题的另一个层面是“太阳风如何加速”这一问题，而事实上太阳风的加速很可能与其加热(换言之，非热能量添加)密不可分。利用经验加热函数的太阳风模型表明，如果非热能量添加完全以加热的方式进行，只要这类加热足够倾向离子，就足以产生[8]与观测基本相符的太阳风解。当然从理论上说，如果这种非热能源来自波动或湍流，那么能量被耗散而转化为等离子体热能的过程很自然地伴有某种加速，使得部分波能也可转化为[9]等离子体定向运动的动能。此时有细致的计算表明，对太阳风质子加速来说，这些与耗散伴随的加速不如质子压强梯度力有效。换言之，与直接做功相比，这类波动/湍动的耗散过

8、程[10]更多地通过加热