基于ATHENA程序的太阳爆发中磁重联电流片中多尺度结构和过程的研究

In the process of solar eruptions, it generally forms a long and thin current sheet (CS) between flares and CMEs, wherein magnetic reconnection plays a key role in energy conservation. It converts magnetic energy into plasma kinetic and thermal energy, even allows for particle acceleration. A long CS can yield multi-scale magnetic fields or various plasmoids due to turbulence instability, which affects largely the reconnection rate. In other words, magnetic reconnection is a consequence of multi-scale coupling states. Using MHD simulations, we can make a numerical study of flux rope model for solar eruption, analyzing the CS evolution in multi-scales during magnetic reconnection process, in order to better understand the lively mechanism related to internal structures of CS and reconnection rate. Meanwhile, to improve the MHD algorithm, by setting suitable boundary conditions for solar environment, updating the MPI codes and customizing the computing platforms, is also a main goal in this work.

在太阳爆发过程中，一般在耀斑和CME之间会有一个长的电流片形成。其中发生磁重联对爆发来说是一个关键的过程，它将磁能迅速转化为等离子体的动能和热能，并加速高能粒子。由于长的电流片对各种等离子体的湍流不稳定，因此其中会产生多种尺度的磁场/等离子结构，这些结构的发展和演化在很大程度上影响磁重联过程。也就是说，磁重联是一个发生在多个尺度的过程，是各个尺度上发生过程的耦合。借助MHD数值实验，以太阳爆发磁通量绳灾变模型为基础，我们可以为磁重联电流片不同尺度的演化提供理论参考，从而帮助我们理解电流片的内部结构与磁重联速率的内在联系。同时，改进MHD数值算法，加入研究适用于太阳爆发的边界条件，优化并行程序及改造程序相匹配的仪器搭配也是本项目的目标之一。

太阳爆发是太阳活动中最剧烈的能量释放过程，一般伴随着耀斑和CME之间会有一个长的电流片形成，其中发生的磁重联对爆发来说是一个关键的过程。它将磁能迅速转化为等离子体的动能和热能，并加速高能粒子。由于长的电流片对各种等离子体的湍流不稳定，因此其中会产生多种尺度的磁场/等离子结构，这些结构的发展和演化在很大程度上影响磁重联过程。也就是说，磁重联是一个发生在多个尺度的过程，是各个尺度上发生过程的耦合。借助MHD数值实验，以Lin&Forbes灾变模型为基础，我们模拟了多组不同速度的CME过程，从两个太阳半径的大尺度范围到几公里的小尺度结构的跨越，讨论小尺度拓扑结构磁重联过程对全局能量释放速率的关键作用。结果表明，在分型和级联的动态平衡中磁能的谱指数范围在[-2.1,-1.6]内，磁岛级联终止的尺度大约在200km，是在此模型中能分辨的最小的电流片块的尺度。局部的磁重联率呈现与当地电流片块的长宽比相关，而不与CME的爆发速率有决定性的相关性。当电流片发展到足够长时，湍流的性质会同时呈现为各向异性和各向同性。为了进一步讨论大尺度湍流在加热等离子体中的作用，我们针对2维或2.5维模型下的Spitizer各向异性热传导模型开发了新的半隐式算法模块，效率相比经典显式算法提高了600倍左右。基于该程序模块，我们考察了各部分湍流对等离子加热的贡献和合成观测图像中的辐射特征，对磁岛与终止激波相互作用在SDO/AIA各波段上的表现给出了指导性的信息。总之，研究太阳爆发中的能量转化过程和相关的湍流结构，并给出更高分辨率的观测预期，对相关物理过程的进一步理解能够极大地促进人们对太阳爆发甚至其他恒星爆发的理解，同时可以为下一代太阳观测设备的发展供指标和方向，具有重要的科学价值。