耀斑-CME磁重联电流片的理论研究和数值实验

We propose to study the physical property and geometrical structure of the CME-flare current sheet, look into the scale, especially the thickness, of the sheet, the find structures inside, as well as the evolutional behaviors. We propose to model via numerical experiments the results for the sheet thickness that could be deduced from the observational data directly. Comparison of these results brings us to an evaluate of liability of the existing observational results for the sheet thickness, and help us to confirm or modify or correct these results and the associated conclusions. We are also investigating the mechasims that govern the scale of the sheet, studying the other parameters of the CME-flare current sheet, including the plasma density, temperature, conductivity, their evolution, as well as the energy conversion dominated by these parameters. To help promote our work in the future, we shall further discuss qualitatively the importance of the results given by the above research to studying the charged particle accelerations in the CME-flare current sheet.

本项工作将从理论上考察耀斑－电流片的物理性质和几何结构,深入研究它的尺寸（特别是它的厚度）、其中的精细结构及其随时间的演化规律。通过数值实验的方式模拟根据不同的观测参数获得的电流片厚度，对比这些结果，评价已有的、根据观测数据直接测量到的电流片厚度的结果，以此帮助我们确认或修正已有的观测结果和结论；同时深入了解耀斑－CME电流片内发生的物理过程和控制电流片厚度的物理机制。研究电流片内部的物质密度、温度、电导率，这些参数随时间的演化，以及太阳爆发过程中所涉及的快速能量转换机制。作为对将来工作的引领，我们将定性讨论上述研究获得的结果对电流片内带电粒子加速的重要意义。

本项工作重点在于从考察与太阳爆发过程中与磁重联及电流片有关的物理过程和相应的物理机制。我们的工作在几个方面取得了重要成果。.首先，在磁重联直接加速电子的实验中首次在实验室获得了被磁重联过程加速的电子，测量了电子的能谱和加速区的等离子体温度，发现被加速粒子的能谱与太阳耀斑的高能非热辐射能谱一致。表明观测到的辐射能谱完全有可能是同一组非热电子引起的。.其次，利用对部分电离等离子体中的磁重联过程的数值模拟发现，高密度的色球等离子体可以将磁重联过程限制在很有限的区域内，将初始温度为一万度左右的色球等离子体加热到八万、甚至是十万度以上。首次为IRIS卫星观测到的以及地面上长期观测到的色球局部突然发亮提供了定量的解释。.另外，将太阳爆发的理论模型成功应用于磁中子星罕见耀发的理论解释之上，建立了此类爆发的MHD模型。模型给出的光变曲线和观测得到的光变曲线符合得较好。这是继我们用太阳爆发理论成功地解释了星系中黑洞吸集盘间歇性喷流的运动特征后的又一次成功的尝试，具有重要的科学意义。.第四，研究了电流片内磁重联对带电粒子的加速过程及其结果对粒子初始位置的依赖关系。带电粒子能否被明显加速与其初始位置关系明显。.第五，通过2.5维的高精度磁流体力学数值模拟实验，我们研究了日冕电流片中.磁能与热能和动能之间的转化和能量谱分布。证实了磁重联的湍流性质，基本上属于平行于磁场的Kolmogorov湍流，在偏离Kolmogorov状态的尺度上，湍流开始发生明显耗散，同时，湍流结构使得电流片的厚度明显增加。.第六，探讨了对经典PIC模拟的改良，并将改良后的程序应用到大尺度和长时间演化的磁重联过程及其对带电粒子的加速的研究中，取得了初步的结果。.第七，云南天文台米波射电频谱仪观测到一个断裂的II型射电暴。观测表明这个射电暴与两个CME和两个耀斑相联系，结合理论模型，研究发现这个断裂的结构是后一个CME产生的激波与前一个CME形成的电流片碰撞的结果，由此得到的电流片厚度与已有的结果一致。.第八，我们进一步对已有的开源程序进行了改良，使之更加适用于对太阳爆发过程的数值实验，并取得了进展：(A) 用本征值方法求解求解拉格朗日坐标系下的非平衡电离方程，并发展了一套对MHD模拟进行后非平衡电离态的计算的程序；（B）研究了伪盔状冕流的非平衡电离特征；（C）改进了ATHENA程序，使之适用于太阳爆发研究。