三维数值模拟日冕物质抛射

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1、ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ硕士学位论文三维数值模拟日冕物质抛射作者姓名：王静指导教师：冯学尚研究员中国科学院空间科学与应用研究中心学位类别：理学硕士学科专业：空间物理学培养单位：中国科学院国家空间科学中心２０１８年６月Three-dimensionalMHDsimulationsofCMEsAdissertationsubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegr

2、eeofMasterofspacephysicsByJingWangSupervisor：Prof.FengXueShangNationalSpaceScienceCenterChineseAcademyofSciencesJune2018摘要摘要日冕物质抛射（CME）是较短时间内大量等离子体物质从太阳抛射，是太阳日冕中频繁发生的十分剧烈的爆发现象。由于CME是空间扰动的主要驱动源，会引起地球空间环境的剧变，因此CME在日冕-行星际演化的过程是空间天气研究的主要内容之一。基于磁流体力学（MHD）的数值模拟能自洽的描述等离子体，并在全球范围内捕捉日冕动力学变化，因此是充分研究日冕对CME爆发的响

3、应及CME在日冕行星际传播演化过程的有效工具。使用Feng等开发的AMR-SIP-MHD模型进行数值模拟并对模型进行了改进和完善。模型使用六个低纬度球坐标耦合成覆盖全球的重叠型网格系统（六片网格），能避免一般球形网格的极区网格汇聚问题和奇性问题，同时便于并行计算编程。模型采用CESE格式，将时间和空间同等对待对待，区别于其他现有太阳风模型采用的差分格式。使用GLM方法和八波法相结合的方式控制磁场散度，模拟区域从近太阳（1Rs）到地球轨道附近。利用自适应软件包PARAMESH，设置网格加密放粗条件，可以在感兴趣的区域进行网格加密，如电流片附近、CME初始触发处，CME经过的区域等，以满足计算精细

4、结构时所需要的网格尺度。目前所处的第24个太阳活动周从2008年12月开始，2014年黑子数达到该活动周的峰值，该活动周的黑子数比上两个活动周小很多。选取了卡林顿周2055、2104、2152和2183分别处于太阳活动低年、上升年、高年、下降年的四个卡林顿周进行数值模拟，并与SOHO、WIND卫星的观测数据进行对比。目前对CME的模拟，爆发过程和在行星际的传播过程由于空间尺度等原因一般是分开模拟，并且多为慢速CME，我们试图模拟2006年12月13日爆发的快速CME从爆发到行星际传播的过程。模型根据势场模型和光球观测磁场，使用时间松弛法求得背景太阳风的稳态解，使用得到的稳态解，在近太阳处（距太

5、阳0.8Rs）加入高密度、高速度、高温度的磁绳，定量地模拟CME从近日冕传播到地球轨道附近中的演化现象。对CME触发和传播的研究，出于空间尺度和计算时间的考虑，在日冕区域（1Rs到35Rs）利用背景太阳风的稳态解，在太阳表面加入一个逐渐浮现的磁绳，定性地模拟CME从触发到传播到日冕中的演I三维数值模拟日冕物质抛射化现象，这一定性模拟验证AMR-SIP-MHD模型可以实现CME从爆发到行星际传播的连续模拟。在对背景太阳风的模拟中对比了热传导项对太阳风各参数的影响，发现热传导项在近太阳处对太阳风的影响与磁力线是开放还是闭合有关。关键词：三维MHD模拟，日冕物质抛射，热传导，背景太阳风IIAbstr

6、actAbstractCoronalmassejection(CME)isalargeburstofplasmafromthesuninaveryshorttime,whichisoneofthemostfrequentlyeruptivephenomenainthesolaratmosphere.Itisthemainlydriveforceforspacedisturbance,whichcancausesignificantchangeinthegeospaceenvironment.Hence,CMEisthemajorresearchcontentsofspaceweatherres

7、earchinthesolar-interplanetaryevolutionaryprocess.Numericalsimulationsbasedonmagnetohydrodynamics(MHD)candepictplasmaself-consistentlywithapplicationsinthegloballycapturingofcoronaldynamicalevolution,