全景模拟太阳黑子中物质流与磁流体波

A sunspot is the congregation of strong magnetic polarities. The magnetic field interacts with the fluid motions at the lower atmosphere. This process triggers recurrent mass and energy flows, which may supply the corona and solar wind. Earlier studies are segmented into helioseismology, dynamics of the solar atmosphere, coronal heating and solar wind acceleration. There is a strong need to understand the panoramic physical process of mass and energy flow in a sunspot. This proposal is to build a numerical model of a sunspot using an empirical atmosphere and an open magnetic field, and apply random fluid motions as the bottom boundary condition. We will simulate the triggering and propagation of mass flows and magnetohydrodynamic waves in the photosphere, chromosphere, transition region and corona of a sunspot, and synthesize the optically thin and thick plasma emissions. This will help predicting the observations by the ground-based and space-borne instruments. This study could benefit from the fine dynamics of numerical modeling. We could investigate the triggering and propagation process of flow and MHD waves, explore the application of sunspot seismology, and estimate their contribution to coronal heating and solar wind acceleration.

黑子是太阳表面强磁场的集结区域，磁场与底层流体相互作用激发大量物质与能量流，可能供给日冕大气与新生太阳风。早期的研究被分割在日震学、大气动力学、日冕加热与太阳风加速等多个领域，相互独立不能互相作为边界条件。因此，迫切需要建立一个完整的物理学过程，将底层流体运动作为直接边界条件，建立黑子模型研究黑子磁场中能量与物质流的输运过程，探索其对日冕加热与新生太阳风的贡献。本课题旨在建立黑子经验大气和开放磁场的数值模型，以流体随机运动为直接底边界，模拟物质流与磁流体波在光球、色球、过渡区和日冕的全景输运过程，合成光厚与光薄等离子体发射谱线，预测地面与空间光谱和成像观测的实景。本研究能够有效地利用数值模拟的细节，理解物质流与磁流体波的激发与输运过程，拓展物质流与磁流体波的黑子诊断应用，探索物质与能量流对日冕加热和新生太阳风的贡献。

本项目利用双组分磁流体数值模拟程序，建立了太阳黑子的数值模型，测试了黑子模型的稳态和边界条件，引入接近真实的太阳黑子大气运动模型，模拟了黑子中磁流体波的输运情况，额外研究了离子中性粒子相互作对磁流体波的影响，分析了空间卫星和我国大型地面太阳望远镜——NVST的观测数据，研究了黑子中磁流体波的输运过程、等离子体加热效应，拓展研究了太阳黑子与日冕环的磁场关联性。项目研究发现由黑子低层大气驱动阿尔凡波具备加热黑子色球层的功率与潜力，开尔文·赫姆霍兹不稳定性是一种潜在而未经探索的等离子体加热机制，黑子亮桥、日冕环和黑子震荡和等离子体加热具备较强的关联性。该项目的研究结果可为我国大型望远镜的建模做准备，为研究太阳等离子加热和磁场动力学提供有效的科学支撑，具备较强的应用前景。在项目的资助下，项目负责人共表第一或通讯作者SCI论文6篇，培养硕士研究生2人、博士后1人，获得国际交流基金2项，提交发明专利申请1项，发表科普论文1篇。