太阳风加速与日冕加热机制的非线性传输模型研究

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太阳的表面温度高达6000o K,高温导致了它的表面物质几乎全部电离形成等离子体,这些电离形成的等离子体向外辐射形成太阳风。太阳风充斥着整个行星际空间,对地球造成了非常重大的影响。太阳风被认为是日地空间的连接纽带,通过这个纽带,地球接收到了来自太阳的太阳能、电磁辐射、日冕影响等。太阳风的研究在现代空间科学技术研究中有着不可预估的重要作用。太阳风与许多太阳的、地球的物理现象都有着紧密的联系,正如其本身的物理意义一样,太阳风的研究有着重要的研究意义与应用价值。首先,本文对太阳风的观测特性进行了分析,在观测特性的数据分析中,主要采用了如Helios,Ulysses,ACE(Advanced Composition Explorer),WIND等卫星的采集数据,其中Helios的运行轨道主要从0.3AU-1AU;Ulysses的运行轨道主要从1AU-5AU,Ulysses的轨道属于太阳极远轨道。本文采用的太阳风实地观测数据覆盖范围十分广泛,这些数据包括粒子数密度、速度、温度甚至某些种类粒子的速度分布函数等,这样有助于我们对其物理意义进行全方位研究,有助于帮助我们研究太阳风的特性及运动特征。通过观测分析日冕和太阳风中各类粒子的多种微观动力学特征,深入研究了这些粒子的温度各项异性、速度分布等特性,对我们进一步研究日冕加热以及太阳风加速模型起了关键作用。其次,建立了太阳风速度的理论推测模型,并进行了数值模拟。本文在太阳风观测特性的研究与分析基础上,对现有的日冕加热理论和太阳风加速模型进行了全面研究与分析,建立了太阳风速度的理论推测模型,进行了数值模拟。研究表明日冕的等离子体在相对短距离向外膨胀的过程形成的太阳风,我们将太阳风的加速与日冕看作为同一个问题进行研究。本文对太阳风的研究从日冕的形成开始、从日冕底部开始。通过太阳风的质量、速度、能量和磁场等大量数据的观测结果来解释日冕加热和高速太阳风加速过程的物理机制,通过研究与分析诸多的约束与限制,在相关的约束与限制条件下建立了本文中的理论模型。第三,本文在太阳风的理论分析基础上,在太阳风等离子运动研究基础上,对MHD的运动机制及运动结构进行全面研究,建立了等离子体运动模型,并进行了数值模拟,对结果进行了详细的分析与研究。研究表明,行星际空间中充满了运动的等离子体(太阳风),这些太阳风大多数是由恒星的辐射而发出。我们研究太阳风状态,首先要了解它是含有足量的带电粒子。由于太阳表面充满电磁场,太阳风的运动受电磁场影响,导致在研究其动力学运动机制时候,需要对其受到的电磁作用进行分析。太阳风等离子体的运动的受到的作用与其它的气态、液态和固态物质相比较有明显的差别,有自己的特殊的运动规律与特性,等离子是由电子和离子组成。在分析其运动规律时候,对其特殊的现象进行具体的分析。最后,本文对太阳的表面活动与扰动进行了较深入的研究,分析发现在行星际介质中存在着太阳由内向外传播Alfven波。我们在建立太阳风等离子体运动模型时,假定太阳风的过渡区存在Alfven波,考虑到太阳风等离子体的磁场强度、磁场作用方向、密度、速度、温度和坐标等某些物理量的非线性的相互作用。正是这种非线性的相互作用产生太阳风的加速运动,它的能量随太阳风运动进行传输与转化。因此,本文建立了太阳风非线性加热模型,并对该模型进行了数值模拟,通过有限元的计算方法进行了初步的计算与讨论。本文研究成果与创新点如下:(1)研究与分析了Helios、Ulysses、ACE、WIND等卫星的相关观测数据,对太阳的内部结构、能量传输、日冕结构及太阳风的传输等现象进行了研究分析与数值模拟分析,为进一步研究日冕加热和太阳风加速奠定了理论基础。(2)建立了太阳风速度的理论推测模型。深入研究了日冕加热理论和太阳风加速模型,建立了太阳风速度的理论推测模型,并进行了数值分析。研究与计算表明,随日心距的增加,太阳风的切向速度先增加然后减小而径向速度呈线性增加,形成了太阳风的螺旋运动现象,这与观测结果相符合。(3)建立了等离子的旋转不连续运动模型。深入研究了太阳风等离子体的运动机制,对磁流体力学方程组及其相似参数进行了分析,建立了等离子的旋转不连续运动模型,并进行了数值模拟。研究与计算表明当太阳表面质通量流过旋转不连续面时,磁场总量保持不变,但切向磁场会任意改变方向,此时等离子体进行旋转运动。(4)提出了一种太阳风非线性加速与加热机制。对目前的太阳风加速与加热机制进行了研究与分析,在此基础上提出了一种太阳风非线性加速与加热机制。研究与分析表明该机制能很好的解释日冕加热与太阳风加速的能量来源,对太阳风加速问题作出了合理的自恰解释。(5)建立了一个太阳风非线性加热加速传输模型。建立模型时候,主要考虑了太阳风等离子体的主要物理量,如密度、速度、温度和坐标等,建立相应方程组,以高斯值为基础,对所使用的物理量进行统一,并采用有限元的方式对磁场进行分析,使用隐式算法进行求解,研究与分析表明该模型能较好的表示出太阳风等离子体能量传输变化过程。
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