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太阳爆发现象的
磁流体力学模拟&粒子模拟
陈鹏飞
南京大学天文与空间科学学院
[email protected]
陈鹏飞@哈尔滨
提纲
1.太阳爆发现象简介
2.磁流体力学数值模拟
3.粒子模拟
4.发展趋势与挑战
陈鹏飞@哈尔滨
一.太阳爆发
现象简介
陈鹏飞@哈尔滨
X射线
太阳耀斑
几万
公里
日冕物质抛射
质量
10亿吨
速度
1000 km/s
陈鹏飞@哈尔滨
能量
千亿个原子弹
空间天气
陈鹏飞@哈尔滨
太阳物理学的意义
• 研究其它天体的实验室
• 为空间天气预报提供物理基础
陈鹏飞@哈尔滨
太阳大气的热结构
日冕
色球
光球
90%氢
T~ 5000 K ― 2 MK
n~ 108 ― 1015 cc
陈鹏飞@哈尔滨
太阳大气的磁结构
B~ 10 ― 2000 G
气压/磁压 ~ 0.1
陈鹏飞@哈尔滨
太阳大气的磁结构
B和α在底边界给定
DeRosa et al. (2009)
陈鹏飞@哈尔滨
能量来源
动能密度 10–2 – 10 J m–3
来自磁能
陈鹏飞@哈尔滨
磁流体力学方程组
陈鹏飞@哈尔滨
二. MHD数值模拟
星系动
SPH （光滑粒子流体动力学）
力学
有限差分法
ZEUS
CANS
AMRVAC
MAP
Jiang + (2012，
CPC)
模拟研究系列之1―磁重联
双带耀斑
日冕
致密耀斑
色球
光球
Chen et al. (1999a，1999b)
模拟研究系列之1―磁重联
过渡区爆发事件
日冕
色球
光球
Chen et al. (2006)
模拟研究系列之1―磁重联
白光耀斑
日冕
色球
光球
Chen et al. (2001)
模拟研究系列之2―日冕物质抛射的触发机制
Richard & Joan
日冕物质抛射爆发前一
天会出现新的磁场浮现
模拟研究系列之2―日冕物质抛射的触发机制
1993年2月22日
1993年2月23日,
Feynman et al.
(1995)
理论模型与数值模拟
Chen & Shibata (2000, ApJ, 545, 524)
模拟研究系列之3―日冕极紫外波
Chen, P. F. et al.: (2002, 2005, 2006, 2009, 2010)
Thompson et al.
(1998)
陈鹏飞@哈尔滨
模拟研究系列之3―日冕极紫外波
速度悖论
Klassen et al. (2000)
极紫外波速度~300 km/s
而日冕磁声波速度~1000 km/s
陈鹏飞@哈尔滨
我们的数值模拟
Chen, Wu, Shibata, & Fang （2002, ApJ, 572, L99）
195 Å
陈鹏飞@哈尔滨
我们的磁拉伸模型
 AB BD  AC

t  

 v
v
v
A 
A
 f
1
VEIT
CD  1
 

 
 0.34v f

t  v f 2v A 
陈鹏飞@哈尔滨
模拟研究系列之4―暗条的形成
陈鹏飞@哈尔滨
模拟研究系列之4―暗条的形成
Xia, Chen, Keppens (2011)
陈鹏飞@哈尔滨
模拟研究系列之4―暗条的形成
Xia, Chen, Keppens (2012)
陈鹏飞@哈尔滨
三. 高能粒子的加速
陈鹏飞@哈尔滨
试验粒子数值模拟
直流电场加速
Mori, Sakai, Zhao 1998, ApJ, 494, 430
E  (0, 0, 1), B  (y , x , 1)
du
u B
E 
dt

dx Rv

, 其中 u  v
dt

试验粒子数值模拟
Liu, W.J., Chen, P.F., & Fang, C. (2007, 2009)
Runge-Kutta-Fehlberg 4(5)
试验粒子数值模拟
Liu, W.J., Chen, P.F. et al. (2009, ApJ, 690, 1633)
轨迹
能谱
四.发展趋势和问题
1. 图像合成（Image Synthesis）
195 Å
四.发展趋势与挑战
1. 图像合成（Image Synthesis）
Riley et
al. (2010)
四.发展趋势与挑战
2. 部分电离的辐射磁流体力学
MHD方程组
+
辐射转移方程组
四.发展趋势与挑战
3. 跨尺度问题
宏观
+
微观
四.发展趋势与挑战
4. 物理预报模型
四.发展趋势与挑战
4. 物理预报模型
http://astronomy.nju.edu.cn/~chenpf