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理想与耗散的较量:谁是太阳爆发真正的幕后推手?

已有 5625 次阅读 2013-6-26 17:37 |系统分类:科研笔记

楔子:日冕物质抛射(CME)和耀斑是太阳爆发两种最主要的表现形式。一种为物质的抛射,一种为辐射的增强。有趣的是,尽管表现差异巨大,两种过程所释放的能量经常是大致可比的。问题是:是什么物理过程导致这些能量快速释放的?(谁是幕后推手?)

 

两种太阳爆发图像:2003.11.4日耀斑事件和2003.12.5日冕物质抛射事件

日冕中充斥着磁场、同时被百万度高温的等离子体完全填充。日冕磁场来自于太阳内部,即光球层下方。由于高温低密度,日冕等离子体完全电离(即由几乎处于自由运动状态的电子和离子,而非二者束缚态:分子、原子组成)。在这种物态(等离子体常被称为固、液气之后的第四物态)之中,电导率超高,即电阻常可忽略。这是由于日冕中质量特轻的电子可快速响应电场作用所致。通常称电阻可忽略的等离子体为“理想”等离子体。

众所周知,电荷运动产生电流,电流产生磁场,磁场又施力于电流和电荷。这样,整个日冕其实是一个由电流和磁场交织在一起构成的复杂系统。

对于磁化等离子体,电流密度几乎严格正比于磁场的旋度,这是由描述电磁相互作用的Maxwell方程所决定的(安培定律中的位移电流项在系统速度远小于光速时可忽略)。如系统中不存在电流,则相应磁场被称为势场,是底边界具相同法向分量的所有磁场位形中能量最低的(此时称磁场自由能为零)。可见,磁场自由能(高于相应势场的能量)完全取决于磁场涡旋部分,也就是完全由电流分布来决定。爆发过程中释放的正是这笔“自由能”。

日冕中存在两种形式的电流集聚区,一种存在于很窄的片状区域,常称为电流片(current sheet);一种存在于复杂的螺旋缠绕磁场结构中,常形象地称之为磁绳(magnetic flux rope,见图)。这两种日冕磁能聚集区:电流片和磁绳,便提供了太阳爆发事件的主要爆发前态。

由上面讨论可知,螺旋缠绕的磁场,自然对应于螺旋缠绕的电流。与电流片电流不同的是,磁绳电流是以体电流形式存在的。根据电流与磁场旋度的对应关系,缠绕的环向磁场对应于沿绳子轴向流动的电流,沿轴向的磁场对应于环向电流。从力的角度来看,环向的磁场可施力于轴向电流,轴向磁场可施力于环向电流。所以,磁绳电流可通过自身磁场施力于自身,称之为磁绳自力(self force)

日冕中的两种高自由能磁场结构。左为日冕磁绳结构(Low B. C. 2000),是体电流集聚区;右图中间蓝色虚线区为电流片示意,是面电流集中分布区。底部平面为光球层。

 

磁绳上方都有日冕的磁场,从磁绳一侧的N(+)极磁场走向另一侧的S(-)极磁场,可称为背景磁拱。这些磁拱捂压着磁绳,不让其爆发。这自然是通过背景磁拱施加在磁绳电流上的磁力作用实现的。所以,日冕--磁绳是一个磁力与磁力抗衡的系统。一旦磁绳中电流-磁场作用力强过背景磁拱的约束力,磁绳结构就可以在磁绳自力的作用下冲破背景磁拱,被加速和抛射出去。这个过程中,磁力做功了,磁能就消耗掉了,能量转为物质抛射的动能。所以,磁力做功是获得日冕物质抛射动能的一种主要形式,或者说是日冕磁能释放的一种主要形式。导致磁绳由稳定平衡状态到不稳定而爆发的过程,称为磁绳不稳定性。这个过程中,只是作用于磁绳电流上的磁力做功消耗掉磁能而已,电流并没有通过电阻耗散产生焦耳热,故称之为理想释能过程。

(注:也常如此简单理解磁绳受力情况:磁绳磁场强,对应于向外的磁压力;背景磁拱被下方磁绳顶得更弯曲,对应于向下的磁张力。即理解为磁压力与磁张力之间的抗衡。)

现在回到耗散情况。电流片,作为另一高自由能日冕结构,两侧存在着方向大致相反的磁场(可理解为180度旋转的磁场所对应的电流:电流正比于磁场的旋度)。方向相反的磁力线靠得越近,电流片越薄,电流密度也就越高。理想等离子体有一个非常好的性质:磁冻结效应。简单说,就是磁场和等离子体流体紧紧地捆绑在一起,磁力线具有了流体的质量,固定流体元具有了恒定不变的磁通量。不同来源的磁场和等离子体可以相互作用,但无法相互渗透。这样,相靠越近的反向磁力线之间的电流密度越大,从而储存起大量的磁场能量。这是一个高自由能状态,达到一定条件时,就会变得不稳定,从而消耗这些强电流(即磁场)能量。后果是原正负极区的磁力线贯通连接起来了,两侧的等离子体也就可以混在一起,这一过程被称为“磁重联”,形象地也可说成是“磁湮灭、磁短路”。只有引入有限电阻后,才可能发生。因此,可称之为耗散的磁能释放过程。

可见,不同的日冕磁场高能结构,需要不同的能量释放机制。问题的关键在于:在同一个爆发过程中,两种结构、两种能量释放机制很可能是相互掺杂共存的。例如,很多模型研究表明,磁绳由于不稳定性爆发时,可在下方拉扯出电流片结构,从而为重联创造了条件;而重联也常会产生扭缠的磁绳结构。磁绳不稳定性可以做功,“理想”地将磁能转为动能;重联会引起粒子加速,产生向上喷发的磁场结构,同样可为CME供能。因此,尽管对于单纯的耀斑事件,大家公认是由重联过程引起的磁能释放;而对于CME是如何获得动能的,则仍是没有认清的糊涂账。

许多研究表明,耀斑与CME常伴随出现,而且耀斑的一些性质与CME的速度、加速度等参数关联性很好。这给很多作者一种认识:对于耀斑重要的重联对于CME的加速也很重要。我们指出,这种认识很多时候仅是基于关联性分析所得,并非基于严格的因果关系分析。即关于重联对于CME加速重要性的论断并没有很多直接的观测证据。

为了从观测上提供更多线索,课题组专门去搜寻了一类极端事件:无伴随耀斑的快速抛射事件!基本逻辑是:由于耀斑是用重联解释的,如果事件中无伴随耀斑,则可说明重联的贡献不太重要,起作用的必定是另一种释能方式。我们共找到13例这样的正面事件,所有CME平均速度均超过了1000km/s,均无关联耀斑,均对应于宁静区长暗条爆发。一般认为,磁绳结构是很好的长暗条支撑位形。因此,这个工作定义了一类特殊的快速CME事件,磁场重联(耗散)这些CME加速过程中顶多起次要作用,磁能主要是通过磁绳系统的不稳定性(理想)过程释放的。(点题:这一轮较量中,理想获胜。)

 

研究摘要:磁重联和磁绳系统的宏观不稳定性并列为两种主要的日冕磁能快速转化为CME动能的磁能释放机制。然而,目前尚不了解在具体事件中哪种物理机制更重要,或二者相对贡献如何。为从观测上提供更多线索,我们找出了23太阳活动周中LASCO观测到的13例线性速度超过1000 km/s,但不伴有GOES X射线耀斑的正面CME事件。发现这些事件均对应于源自太阳宁静区的长暗条爆发。说明爆发前日冕中存在大尺度、发育较好的磁绳结构;在表征耀斑过程的微波、极紫外线、软X射线等多波段辐射均无明显辐射增强。此外,还发现:暗条抬升早于CME后环带的出现时间,暗条-CME的总加速时间也显著超过CME后带的分离时间,估算出的重联电场强度较弱。这表明磁场重联在所列CME事件的加速过程中起次要作用,磁能主要是通过磁绳系统的不稳定性过程释放的。该工作由山东大学、美国阿拉巴马大学和乔治梅森大学研究人员合作完成,得到科技部973项目和国家自然科学基金等项目的资助,日前已被影响因子为6.7的美国《the Astrophysical Journal》接受,将于近期发表(A Study on Fast Flareless CMEs, Honqgiang Song, Yao Chen, Dandan Ye,Guoqing HAN, Guohui Du, Gang LI, Jie Zhang, and Qiang Hu)



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