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太陽磁流體力學(xué) 
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9 7 7 8 7 7 4 0 5 3 5 0 2 讀者對象:天體物理，地球和空間物理，等離子體物理和受控?zé)岷司圩兊葘I(yè)的研究人員，研究生和大學(xué)高年級學(xué)生。 
磁流體力學(xué)是理解和解釋太陽物理現(xiàn)象的重要理論工具，全書按Priest 教授所著"太陽磁流體力學(xué)"為綱展開，結(jié)合我以前編寫的教材和有關(guān)文獻(xiàn)，再加上等離子體物理和（非導(dǎo)電）流體力學(xué)的基本概念整理成書。首先利用Maxwell方程組和歐姆定律求出磁感應(yīng)方程，流體力學(xué)方程組結(jié)合等離子體物理得到等離子體方程組（質(zhì)量守恒方程、運動方程、能量方程和狀態(tài)方程）。最后得到磁流體力學(xué)方程組。然后求解磁感應(yīng)方程，引入磁擴散和磁凍結(jié)的重要概念（第二章）。
在此基礎(chǔ)上，探討靜力學(xué)，特別介紹無力場（第三章），一般波動理論（第四章），也提及了不均勻介質(zhì)中的波，第五章討論了磁流體激波，介紹不同磁位形下的磁激波行為。為處理太陽的激烈活動，我們探討與磁相關(guān)的不穩(wěn)定性（第七章），對撕裂膜給出了較為詳細(xì)的解析結(jié)果，劇烈的磁活動導(dǎo)致太陽磁場的衰減本書中包括了發(fā)電機理論（第九章），重點討論了湍流發(fā)電機理論。
最后上述理論應(yīng)用到太陽研究的專題，i. 太陽上層大氣的加熱（第六章），其中介紹了Alfven 波的加熱。ii. 太陽黑子（第八章），探討了黑子的形成，結(jié)構(gòu)和演化。 iii. 太陽耀斑，討論電流片的形成和Petscheck機制。 討論了二維磁重聯(lián)模型（第十章）。iv. 日珥的形成介紹了簡單磁拱和磁螺旋場的支撐，日冕物質(zhì)的拋射（第十一章）。
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1. 國家自然科學(xué)基金面上項目
i"全日面太陽矢量磁圖不均勻性和磁飽和效應(yīng)的研究"，編號11373040（2009.1-2011.12），乙方（北師大）負(fù)責(zé)人 （附件1）
本書依托項目
目錄
前言 第1章 太陽及其磁場簡介1 1.1 磁流體力學(xué)1 1.2 發(fā)展簡史1 1.3 太陽的基本參數(shù)3 1.4 太陽的分層結(jié)構(gòu)3 1.5 寧靜太陽、太陽活動區(qū)5 1.6 太陽磁場5 第2章 磁流體力學(xué)的基本方程7 2.1 電磁方程7 2.1.1 Maxwell方程組7 2.1.2 歐姆定律9 2.1.3 感應(yīng)方程15 2.1.4 電導(dǎo)率17 2.2 等離子體方程26 2.2.1 質(zhì)量守恒26 2.2.2 運動方程26 2.2.3 完全氣體定律32 2.3 能量方程32 2.3.1 能量方程的不同形式32 2.3.2 熱傳導(dǎo)35 2.3.3 輻射42 2.3.4 加熱44 2.3.5 能量及其轉(zhuǎn)換的物理過程49 2.4 總結(jié)51 2.4.1 假設(shè)51 2.4.2 方程的簡化形式52 2.5 感應(yīng)方程的求解53 2.5.1 擴散54 2.5.2 理想導(dǎo)電59 2.6 Lorentz力62 2.7 若干定理69 2.8 磁通管行為的總結(jié)74 2.9 電流片行為的總結(jié)80 2.9.1 電流片的形成過程82 2.9.2 電流片的性質(zhì)82 第3章 磁流體靜力學(xué)84 3.1 靜力學(xué)方程組84 3.2 磁場中的等離子體結(jié)構(gòu)86 3.3 磁通管的結(jié)構(gòu)(柱對稱)89 3.3.1 純軸向場91 3.3.2 純環(huán)向場91 3.3.3 無力場94 3.4 無電流場113 3.5 無力場115 3.5.1 一般原理116 3.5.2 簡單的α=const解120 3.5.3 常α無力場的一般解125 3.5.4α不為常數(shù)(非線性)解130 3.5.5 無力場的擴散132 3.6 磁流體靜力場134 第4章 波141 4.1 波的模式和基本方程141 4.1.1 基本模式141 4.1.2 基本方程142 4.2 聲波145 4.3 磁波146 4.3.1 剪切或扭轉(zhuǎn)Alfvén波148 4.3.2 壓縮Alfvén波153 4.4 內(nèi)重力波154 4.5 慣性波162 4.6 磁聲波168 4.7 聲-重力波177 4.8 磁聲-重力波(總結(jié))183 4.95 分鐘振蕩189 4.10 不均勻介質(zhì)中的波和磁界面的表面波190 第5章 激波206 5.1 激波的基本理論206 5.1.1 流體力學(xué)激波的形成206 5.1.2 磁場的作用214 5.2 流體力學(xué)激波215 5.3 磁流體力學(xué)激波234 5.3.1 間斷條件234 5.3.2 接觸間斷239 5.3.3 切向間斷240 5.3.4 旋轉(zhuǎn)間斷240 5.3.5 激波二側(cè)壓強和密度的關(guān)系242 5.3.6 快激波和慢激波246 5.4 斜激波249 5.4.1 躍變關(guān)系249 5.4.2 快、慢激波小結(jié)255 5.4.3 中間波257 5.5 平行和垂直于磁場方向的激波傳播259 第6章 太陽上層大氣加熱264 6.1 日冕的加熱264 6.1.1 色球和日冕的特征266 6.1.2 色球環(huán)和日冕環(huán)以及觀測特征267 6.2 冕環(huán)模型的物理特征270 6.2.1 冕環(huán)能量平衡的靜態(tài)模型272 6.2.2 壓強均勻的環(huán):定標(biāo)定律273 6.2.3 色球環(huán)和冕環(huán)的動力學(xué)模型274 6.3 MHD波加熱283 6.3.1 邊緣和足點驅(qū)動的共振吸收283 6.3.2 均勻介質(zhì)中Alfvén波的衰減285 6.3.3 相位混合加熱色球和日冕286 6.4 磁重聯(lián)加熱293 6.5 Alfvén波的非線性耦合294 6.6 日冕加熱研究的展望295 第7章 不穩(wěn)定性297 7.1 分析方法297 7.2 方程的線性化300 7.3 簡正模方法304 7.4 能量原理313 7.5 不穩(wěn)定性例329 7.5.1 交換不穩(wěn)定性329 7.5.2 撕裂不穩(wěn)定性347 7.5.3 電阻不穩(wěn)定性354 7.5.4 電流對流不穩(wěn)定性371 7.5.5 輻射驅(qū)動的熱不穩(wěn)定性373 7.5.6 Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定性374 第8章 黑子380 8.1 磁對流380 8.1.1 物理效應(yīng)380 8.1.2 線性穩(wěn)定性分析386 8.1.3 磁通量的排擠及集中395 8.2 磁浮力409 8.2.1 定性描述409 8.2.2 磁浮力不穩(wěn)定410 8.2.3 太陽磁通管的上升431 8.3 黑子的冷卻433 8.4 黑子的平衡結(jié)構(gòu)436 8.4.1 磁流體靜力學(xué)平衡436 8.4.2 黑子的穩(wěn)定性447 8.5 黑子半影453 8.6 黑子的演化454 8.6.1 黑子的形成454 8.6.2 黑子的衰減460 8.7 強磁通管463 8.7.1 細(xì)磁通管的平衡464 8.7.2 強磁場不穩(wěn)定性466 8.7.3 針狀體的產(chǎn)生477 8.7.4 管波487 第9章 發(fā)電機理論498 9.1 磁場的維持498 9.2 Cowling定理499 9.2.1 無發(fā)電機定理499 9.2.2 發(fā)電機效應(yīng)簡例——盤單極發(fā)電機500 9.2.3 自持發(fā)電機的特性502 9.3 運動學(xué)發(fā)電機508 9.3.1 平均場和漲落場方程508 9.3.2 一階平滑近似510 9.3.3 α效應(yīng)和β效應(yīng)512 9.3.4 Braginsky的弱非軸對稱理論515 9.3.5 平均場電動力學(xué),湍流發(fā)電機517 9.3.6 平均場電動力學(xué)的α2發(fā)電機527 9.3.7 發(fā)電機波528 9.3.8 太陽活動周模型——α-ω發(fā)電機536 9.3.9 α-ω發(fā)電機的發(fā)電機波538 9.4 發(fā)電機理論的困難544 9.5 將來需要研究的問題545 第10章 太陽耀斑546 10.1 磁重聯(lián)的概述546 10.2 重聯(lián)概念的總觀546 10.3 二維零點547 10.4 電流片的形成547 10.5 磁重聯(lián)549 10.5.1 單向場549 10.5.2 擴散區(qū)551 10.5.3 Petscheck機制554 10.6 簡單磁環(huán)耀斑568 10.6.1 磁通浮現(xiàn)模型568 10.6.2 熱不平衡570 10.6.3 扭折不穩(wěn)定性572 10.6.4 電阻扭折不穩(wěn)定性575 10.7 雙帶耀斑576 10.7.1 無力平衡解的存在及解的多重性577 10.7.2 爆發(fā)不穩(wěn)定性578 10.7.3 主相:耀斑后環(huán)581 第11章 日珥(暗條)585 11.1 寧靜日珥的觀測特征585 11.2 形成587 11.2.1 活動區(qū)暗條在環(huán)中的形成590 11.2.2 冕拱中形成的暗條592 11.2.3 在電流片中形成的暗條596 11.2.4 熱不平衡597 11.3 簡單磁拱的靜力學(xué)支撐601 11.3.1 Kippenhahn-Schlüter模型601 11.3.2 Kippenhahn-Schlüter的普遍模型603 11.3.3 外場613 11.3.4 磁流體力學(xué)穩(wěn)定性616 11.3.5 螺旋結(jié)構(gòu)617 11.4 對有螺旋場的磁位形的支撐621 11.4.1 電流片的支撐621 11.4.2 在水平場中的支撐626 11.5 日冕瞬變現(xiàn)象629 11.5.1 扭轉(zhuǎn)環(huán)模型631 11.5.2 無扭轉(zhuǎn)環(huán)模型638 11.5.3 數(shù)值模型643 11.5.4 模型的比較和展望643 參考文獻(xiàn)645 后記651 表目錄 表2.1 lnΛ隨T和n變化18 表2.2 λD與ne在太陽高層大氣中的典型數(shù)值(Zombeck,1982)38 表4.1 波的驅(qū)動力141 表4.2 斜Alfvén波與慢磁聲波性質(zhì)對比172 表4.3 不在垂直方向傳播的波動解179 表5.1 激波后物理量的定性變化228 表5.2 由不同Δp/p1算出的相關(guān)物理量232 表5.3 快、慢激波的對比249 表5.4 三種波演化的比較258 表6.1 上層大氣的能耗(1W·m2=103erg·cm.2·s.1)(Withbroe and Noyes,1977)271 表8.1 磁通管浮出時間432 表8.2 臘腸型和扭折型管內(nèi)外波動的比較(.vx為振幅)491 表8.3 m20和m2e與磁通管內(nèi)外波的關(guān)系492 表11.1 寧靜暗條和活動區(qū)暗條的形成高度612 表11.2 解析模型和數(shù)值模型的比較644 圖目錄 圖1.1 太陽球體分層結(jié)構(gòu)4 圖1.2 太陽表面大氣中溫度和質(zhì)量密度隨高度的變化4 圖2.1 與離子發(fā)生庫侖碰撞的電子軌道17 圖2.2 等離子體薄片19 圖2.3 Landau阻尼使波損失能量,加速粒子22 圖2.4 離子聲波受到阻尼23 圖2.5 (a)離子聲波受到阻尼小,波可以穩(wěn)定存在;(b)離子聲波不穩(wěn)定性與分布函數(shù)23 圖2.6 碰撞截面37 圖2.7 光學(xué)薄輻射損失中的Q(T)函數(shù)上方曲線對應(yīng)日冕豐度,下方為光球豐度[取自CHIANTI原子數(shù)據(jù)庫,Dere等(2009)推導(dǎo).](1erg·s.1·cm3=10.13W·m3)43 圖2.8 磁擴散(a)磁場強度隨時間的變化;(b)磁力線在三個時刻的分布55 圖2.9 磁通量守恒:假如封閉曲線C1因等離子體運動變?yōu)镃2,t1時刻通過C1的通量等于t2時刻通過C2的通量61 圖2.10 磁力線守恒:假如等離子體流體元P1和P2,在時刻t1位于一根磁力線上,則在以后時刻t2總位于同一根磁力線上61 圖2.11 張力的方向64 圖2.12 (a)均勻磁場中,磁壓力P和張力T平衡;(b)磁場B(x).y,dB/dx>0磁壓強不平衡(P2>P1)65 圖2.13 對稱的彎曲磁場產(chǎn)生的合力(R)(方程(2.6-4))67 圖2.14 X型中性點附近的磁力線(a)處于平衡態(tài)(α=1);(b)不平衡態(tài)(α2>1)x軸上合力(壓力)R向著原點,y軸上合力(張力)R向外68 圖2.15 磁通管的兩端面分別為S1和S2,分別有磁通量F1和F275 圖2.16 磁通管磁場強度B0→B,等離子體密度ρ0→ρ,尺度變化因子λ,λ76 圖2.17 (a)yz平面上的電流片,磁場B1跨過該平面旋轉(zhuǎn),變?yōu)锽2;(b)跨越中性電流片的平面(xz平面),磁場在中心部位消失,等離子體壓強為p0;(c)磁力線通過電流片時,發(fā)生磁重聯(lián),中心部分的電流片分叉成兩對慢激波81 圖2.18 電流片示意圖83 圖3.1 磁力線與.z方向夾角為θ,s量度沿磁力線的距離85 圖3.2 等離子體位于垂直磁場中,等密度線位于水平方向,等壓線(虛線)為斜線,1,2,3壓強順次下降88 圖3.3 線箍縮93 圖3.4 均勻扭轉(zhuǎn)磁場在兩個半徑上的磁力線97 圖3.5 (a)扭轉(zhuǎn)的磁通管從半徑a徑向膨脹至半徑a;(b)角向磁通量在磁通管最粗的部分聚合99 圖3.6 (3.5-8)式描述的冕拱模型的垂直和水平方向截面圖,取B0<0,陰影的磁環(huán)在冕拱底部,受有壓力,因此影響到整個高度122 圖3.7 一個扭轉(zhuǎn)黑子上方的磁場模型,由(3.5-9)式描述的垂直和水平方向的截面圖124 圖3.8 靜力場磁拱模型實線為磁力線,短劃線為等壓線,(a),(b)二例中的磁拱寬為L=(2π/3)Λ,Λ是標(biāo)高(a)2αΛ=3;(b)2αΛ=5(Zweibel and Hundhausen,1982)139 圖4.1 (a)Alfvén橫波沿磁力線方向k傳播;(b)磁力線的壓縮和膨脹引起壓縮Alfvén波,傳播方向k,跨越磁力線146 圖4.2 實線圓為Alfvén波,短劃線為壓縮Alfvén波矢徑的長度等于沿該方向傳播的波的相速度ω/k148 圖4.3 擾動速度(v1)和磁場(B1)與平衡態(tài)磁場(B0)和波傳播方向(k)之間的關(guān)系(a)Alfvén波矢量v1和B1均垂直(k,B0)平面;(b)壓縮Alfvén波,v1和B1與(k,B0)共面150 圖4.4 長度為π/k的磁通管因扭轉(zhuǎn)Alfvén波而振蕩151 圖4.5 等離子流體元反抗重力從高度z垂直移動至z+δz處兩個位置上流體元外的密度分別是ρ0和ρ0+δρ0154 圖4.6 內(nèi)重力波的群速度(v2g=v2gx+v2gz)的方向垂直于錐面錐面由與z軸的夾角為θg的波矢環(huán)繞z軸生成161 圖4.7 轉(zhuǎn)動軸和傳播方向間的關(guān)系163 圖4.8 速度矢量v1的方向頻率2ΩcosθΩ的慣性波沿k方向傳播,每一點v1⊥k,k矢量本身以角速度Ω繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動164 圖4.9 波矢k和轉(zhuǎn)動角速度Ω的關(guān)系圖165 圖4.10 斜Alfvén波169 圖4.11 磁流體力學(xué)波的相速度與θB的關(guān)系:(a)cs>vA;(b)cs 圖4.13 低頻區(qū)中k∥B的橫波色散圖(ωΩi)175 圖4.14 診斷圖頻率ω的聲重力波傳播區(qū)域陰影區(qū)域中擾動不能傳播(a)角度θg的垂直方向的傳播;(b)水平波數(shù)kx的波在垂直方向的傳播ω=N和ω=kxcs的漸近線由虛線表示181 圖4.15 光球多處觀測的垂直速度作為時間的函數(shù),曲線之間的間隔為3角秒(約2200公里),相鄰曲線間速度差為0.4km·s.1189 圖5.1 激波的形成207 圖5.2 有限振幅的聲波,初始為正弦波,在均勻未擾介質(zhì)中傳播,變陡212 圖5.3 非線性的波形變陡的傾向,使流體的物理量(如密度、速度等)變?yōu)槎嘀狄虼吮仨毧紤]到粘滯粘滯力與變陡傾向的平衡,產(chǎn)生激波,近似為流體物理量的間斷面213 圖5.4 激波相對于激波前流體超聲速前進(jìn),超越原始正弦波的波谷,也在后面留下了尾部,激波形成后,初始正弦波變形為三角形213 圖5.5 消去激波和誘生激波214 圖5.6 激波前后物理量217 圖5.7 S為體積τ的界面,n是外法向單位矢量218 圖5.8 激波兩側(cè)熵的變化ΔS和Mach數(shù)M1間的關(guān)系226 圖5.9 靜止坐標(biāo)系中的速度關(guān)系230 圖5.10 活塞以v氣運動232 圖5.11 旋轉(zhuǎn)間斷241 圖5.12 激波前后的磁場分量242 圖5.13 磁流體激波后,熵增加245 圖5.14 等離子體流速v1取得與磁場平行250 圖5.15 三種斜激波引起磁場方向的變化254 圖5.16 垂直激波256 圖5.17 激波參考系中,磁場平行波前,垂直流動速度259 圖6.1 磁力線滯后于水平運動的足點,Bv和Bh分別為磁場的垂直和水平分量,vh為水平速度分量265 圖6.2 寧靜太陽中的磁力線267 圖6.3 半個超米粒元胞上方的磁力線(a)Gabriel模型:來自光球的磁通量集中于左下角,位于網(wǎng)絡(luò)邊界;(b)改造的模型:光球磁通量的一半位于元胞內(nèi)部磁力線從底部的正極出發(fā),終止于頂部的負(fù)極267 圖6.4 太陽上層大氣靜態(tài)模型溫度結(jié)構(gòu),傳導(dǎo)、輻射和加熱在不同高度的作用271 圖6.5 對稱冕環(huán)的記號,長為2L,足點(s=0)的溫度為T0、密度為n0,環(huán)頂(s=L)的溫度和密度分別為Tmax和nmax,r是環(huán)高和基線一半長度D之比,d是頂部和足點部分環(huán)截面直徑之比272 圖6.6 冕環(huán)中主要的流動:(a)虹吸;(b)針狀體;(c)漏泄;(d)蒸發(fā)275 圖6.7 冕環(huán)長度100Mm,沿著會聚的冕環(huán)不同位置處的虹吸流速度(Cargill and Priest,1980)276 圖6.8 冕環(huán)通過蒸發(fā)或漏泄從一個平衡態(tài)演變至另一個平衡態(tài),取決于加熱率(或環(huán)長度)的增加或減少276 圖6.9 (a)速度v1x的快波,由右向左傳播,在x=xr處共振吸收;(b)足點驅(qū)動的Alfvén波,有大的頻率范圍,僅與共振頻率相關(guān)的波在x=xr處被吸收285 圖6.10 磁場的基本幾何結(jié)構(gòu)在.y方向運動的足點激發(fā)剪切Alfvén波Alfvén波速度隨x而變(Heyvaerts and Priest,1983)287 圖7.1 一維系統(tǒng)的勢能W(x),x=0為平衡位置298 圖7.2 等離子流體元從平衡位置r0移動至r,位移用ξ表示302 圖7.3 擾動前重力場和磁場間的邊界305 圖7.4 擾動后重力場和磁場間的邊界306 圖7.5 兩種均勻等離子體界面間的(a)初態(tài);(b)擾動態(tài)306 圖7.6 磁場B(.)0.x支撐等離子體(陰影區(qū)),(a)平衡位形;(b).y方向脈動;(c).x方向脈動307 圖7.7 (a)磁力線環(huán)繞平衡的等離子體柱;(b)柱體受到扭折擾動316 圖7.8 扭折不穩(wěn)定性317 圖7.9 徑向分量ξR作為半徑R的函數(shù)磁通管的Euler-Lagrange方程(7.4-34)的典型解326 圖7.10 螺旋扭折不穩(wěn)定性圖均勻扭轉(zhuǎn)無力場磁通管兩端固定,長為2 L,等效寬度a,沿磁通管的擾動波數(shù)為k,Φ是扭轉(zhuǎn)角度326 圖7.11 (a)磁鏡;(b)交換擾動329 圖7.12 簡單磁鏡位形的交換不穩(wěn)定性331 圖7.13 (a)磁場約束等離子體,磁場凹向等離子體;(b)磁界面上的槽形位移332 圖7.14 磁約束中的凹槽形不穩(wěn)定性333 圖7.15 界面方向垂直磁場,磁通管兩端的固定能穩(wěn)定長波擾動334 圖7.16 (a)線箍縮等離子體壓強p0磁場B0z.z電流j.z沿表面流動產(chǎn)生磁場Bφbφ(b)界面上的臘腸擾動335 圖7.17 虛宗量Bessel方程的兩個線性無關(guān)的解Im(x)和Km(x)343 圖7.18 撕裂不穩(wěn)定性347 圖7.19 非均勻電流片B′′0/B0<0的示意圖349 圖7.20 推導(dǎo)(7.5-47)的示意圖350 圖7.21 電流片中的電阻不穩(wěn)定性驅(qū)動力Fd大于恢復(fù)力FL電流片寬度l明顯的擴散發(fā)生在εl部分圖中僅顯示眾多波長中的一個波長355 圖7.22 (a)σ→∞,穩(wěn)定位形;(b)σ.=∞,磁擴散;(c)σ.=∞,磁耗散,重聯(lián)364 圖7.23 撕裂模的色散關(guān)系ω=ω(k)(kl1,l是電流片的半寬度)Lu是Lundquist數(shù)371 圖7.24 電流對流不穩(wěn)定性(current convective instability)的形變增長372 圖7.25 流體Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定性374 圖7.26 磁流體Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定性378 圖8.1 等離子流體元從r移動至r+δr,流體元內(nèi)部密度減少.δρi,流體元外減少.δρ.380 圖8.2 等離子體底部加熱,磁場均勻384 圖8.3 過穩(wěn)定振蕩(a)等離子體上升時,恢復(fù)力(張力)超過浮力(浮力起減穩(wěn)作用);(b)等離子體向下運動時,張力和浮力都因擴散減小,但合力增加(因為κ>ηm);(c)顯示下半周的振蕩II的振幅超過上半周I的振幅,這樣的過程繼續(xù)進(jìn)行386 圖8.4 磁場均勻,對流穩(wěn)定曲線邊緣的形狀k為波數(shù),Ra為Rayleigh數(shù)391 圖8.5 不可壓縮流體上涌的流線398 圖8.6 圖8.5的上涌流體中垂直的磁通量密度在流體元邊緣逐漸聚集402 圖8.7 磁通從渦元中心排擠Rm=UL/η=250,經(jīng)過時間t/τ=1–10后的磁力線分布式中τ=5L/8U405 圖8.8 (a)磁力線;(b)流線;(c)軸對稱磁對流非線性定態(tài)的等溫線流體元中大部分磁通量已被排除,集中于以軸為中心的磁通管內(nèi)408 圖8.9 對流區(qū)的磁繩因磁浮力上升,穿過光球形成一對黑子409 圖8.10 磁浮力效應(yīng)的磁力線:(a)豎直平面上,場處于平衡態(tài);(b)某一高度處,受到擾動的磁力線411 圖8.11 無量綱穩(wěn)定性圖輪廓線是上升率虛線代表最不穩(wěn)定的波長426 圖8.12 Coriolis力的方向431 圖8.13 傾角分析432 圖8.14 垂直方向通過分層大氣的磁場436 圖8.15 黑子(單一磁通管)的磁力線438 圖8.16 等離子體包圍的磁繩等離子體中沒有磁場444 圖8.17 Parker模型黑子由磁通管束組成磁浮力和黑子下方的下沉氣流(虛線所示)的作用維持這種位形446 圖8.18 (a)黑子的增長階段;(b)長壽命黑子的緩慢衰減454 圖8.19 兩根磁通管的流體力學(xué)吸引(a)并排上升,速度為u;(b)前后相隨455 圖8.20 流體中兩個圓截面的平行磁通管,同沿x方向運動時的相互吸引456 圖8.21 α作為h/a的函數(shù)圖456 圖8.22 (a)相鄰磁棒的頂端有相互作用;(b)兩相鄰磁通管上升,通過表面后擴張459 圖8.23 光球下磁擴散率ηm(單位為m2·s.1)和導(dǎo)熱率κ隨深度(.h,單位為Mm)的變化作為比較,光球上的渦流磁擴散率為107—109m2·s.1461 圖8.24 磁場強度極大值(實線)和大黑子的面積(虛線)隨時間的典型變化場強的峰值位于3kG面積極大值是太陽半球的4×10.4(Cowling,1946)463 圖8.25 細(xì)磁通管由外界壓強(pe)界定464 圖8.26 千高斯量級的磁通管是通過對流壓縮以及因輻射冷卻氣流下沉導(dǎo)致對流坍縮而形成的467 圖8.27 光球上方磁通管擴張米粒組織的湍動壓迫磁通管(由圖中符號表示)驅(qū)動流動沿管上升z>0和下沉z<0487 圖8.28 (a)磁薄層(磁通管)被無磁場的介質(zhì)包圍;(b)沿磁通管傳播的臘腸型擾動;(c)扭折型擾動的傳播488 圖8.29 寬度2a的薄層(磁通管)內(nèi)的管波當(dāng)ce>c0>vA時,相速度(ω/k)作為波數(shù)k的函數(shù)實線為臘腸模式,短劃線為扭折模式,陰影區(qū)域(薄層之外)不存在波模式493 圖8.30 薄片示意圖497 圖9.1 等離子體和磁場的相互作用499 圖9.2 軸對稱磁場子午面內(nèi)的磁力線500 圖9.3 過N點的封閉磁力線積分500 圖9.4 盤單極發(fā)電機501 圖9.5 鏡像對稱示意圖501 圖9.6 (a)初始極向場的磁力線(標(biāo)注為0)因較差轉(zhuǎn)動拉伸至1和2的位置(實線箭頭);(b)磁力線上升和扭轉(zhuǎn)使環(huán)向場變成極向場503 圖9.7 相互垂直磁環(huán)的坐標(biāo)示圖529 圖10.1 (a)X型中性點附近的磁場,演化為有電流片的場,其端點如(b)Y型,或者如(c)反向電流和奇點548 圖10.2 電流片中的磁湮滅(a)駐點流動(.)將方向相反的磁力線(——)從兩側(cè)帶入電流片擴散區(qū)(陰影區(qū))內(nèi)磁場不再凍結(jié),磁能通過歐姆耗散轉(zhuǎn)換為熱能;(b)磁場強度B作為x的函數(shù),k=v0/a歸入單位中虛線表示ηm=0時,B與x的關(guān)系551 圖10.3 定態(tài)磁重聯(lián)位形強度Be方向相反的磁力線因凍結(jié)在等離子流體被速度ve的匯聚流動帶動,相互靠攏,進(jìn)入尺度為l和L的擴散區(qū),在中性點N重聯(lián),然后從兩端拋射出去552 圖10.4 擴散區(qū)(陰影區(qū))位形圖554 圖10.5 Petscheck模型實線為磁力線,長劃線為流線,點線為慢激波555 圖10.6 擴散區(qū)示意圖556 圖10.7 反轉(zhuǎn)區(qū)示意圖561 圖10.8 計算的厚度Z和Bz作為距中心線的距離x的函數(shù)(計入電子慣性)虛線是Petscheck得到的對于x大和x小的漸近結(jié)果上圖Z用λe歸一成為Z/λe,下圖對于x大的情況,Bz和vx分別用它們的漸近值歸一567 圖10.9 簡單磁環(huán)耀斑(小耀斑)磁通浮現(xiàn)機制569 圖10.10 環(huán)頂?shù)钠胶鉁囟萒1作為加熱項H的函數(shù)(H以T=2×104K和ne=5×104m.3時的輻射損失為單位)不同數(shù)值的無量綱半長度(L=[Q/(κ0T7/2)]1/2neL)作為參數(shù)(Hood and Priest,1981)571 圖10.11 不同扭轉(zhuǎn)(Φ)磁場的扭折不穩(wěn)定性(m=1),β=2μp∞/B20,p∞是日冕壓強,B0是沿軸的均勻場(a)β=0和環(huán)的縱橫比L/a不同的穩(wěn)定圖在(10.6-3)式所示的擾動下,每根曲線的左邊是穩(wěn)定的,右邊不穩(wěn)定當(dāng)R=a(在環(huán)的邊緣)時扭轉(zhuǎn)是12Φ(0)(b)當(dāng)R=a時,L/a和β改變時的臨界Φcrit的變化574 圖10.12 磁拱演變成雙帶耀斑的全過程說明見正文577 圖10.13 無力場磁力線足點在光球xy平面上的位移d(x)原先磁力線位于xz平面,d=0578 圖10.14 對稱的圓柱磁拱對稱軸z位于:(a)光球(y=0)以下h處;(b)光球以上h處磁力線在垂直的xy平面上的投影是圓弧(根據(jù)(Priest and Milne,1980))579 圖10.15 耀斑前兆可能的磁位形,假設(shè)耀斑纖維沿磁通管分布弱扭轉(zhuǎn)的磁通管位于磁拱內(nèi),錨定在它的端點上579 圖10.16 發(fā)生不穩(wěn)定性的充分條件磁通管位于磁拱內(nèi),產(chǎn)生不穩(wěn)定性所需之扭轉(zhuǎn)量Φ=2L/b磁通管長為2L,軸位于光球上方高度d處Φ大于臨界值(即每根曲線的右方)就有一組波數(shù)對應(yīng)不穩(wěn)定581 圖10.17 耀斑爆發(fā)后的磁場位形(磁位形)(a)正負(fù)兩極開放的磁力線,中間(虛線)為中性片;(b)耀斑后,磁重聯(lián)期間,磁環(huán)上升vs:沿開放磁力線的太陽風(fēng)速度;vn:磁力線本身向中性片運動速度中性片隔開了方向相反的磁場582 圖10.18 冷物質(zhì)的凝聚和下落584 圖11.1 日珥的磁位形(a)Kippenhahn-Schlüter模型,磁力線的凹陷產(chǎn)生的張力支撐日珥;(b)Kuperus-Raadu模型支撐日珥的力來自磁場垂直方向的梯度586 圖11.2 靜態(tài)冕環(huán)頂?shù)臏囟萒1作為壓強(p)的函數(shù)當(dāng)達(dá)到pcrit時,等離子體沿虛線冷卻至一個新平衡態(tài),溫度遠(yuǎn)低于Tcrit591 圖11.3 暗條的動力學(xué)模型日冕等離子體密度nc從兩邊進(jìn)入速度Vc暗條,然后沿磁場逐漸慢慢落下592 圖11.4 左邊為f和g的略圖;右邊為磁拱頂部溫度(T1)作為高度(H)的函數(shù)596 圖11.5 長度L和寬度l的處于平衡態(tài)的中性片的符號圖597 圖11.6 中性片中的暗條形成(a)外場B(G)取不同值時,處于平衡態(tài)的中性片長度(m)作為溫度(T20)的函數(shù);(b)暗條形成過程中,中性片溫度T2的時間演化中性片長度為L(1+ε),磁場強度為0.8G,T1(106K)是周圍環(huán)境的日冕溫度598 圖11.7 Z軸垂直太陽表面,Y軸沿著暗條走向Kippenhahn-Schlüter模型令溫度均勻(T1=T0),Z軸和Y軸之間的剪切角為零601 圖11.8 Kippenhahn-Schlüter模型垂直方向的磁場(Bz)和等離子體壓強(p)作為x(橫跨暗條的距離)的函數(shù)定義Bz=Bz/Bz∞,p=2μp/B2z∞和x=xBz∞/(BxΛ)603 圖11.9 T為1.0,0.9,0.8,···時,x作為中心溫度T0的函數(shù)(對于特例β=0和By=0)T定義為T/T1,T1是日冕溫度T1=2×106K612 圖11.10 寧靜暗條附近磁場的二維模型613 圖11.11 半平面(保角)變換成四角形615 圖11.12 Anzer處理的暗條615 圖11.13 位于xz平面的暗條模型(粗黑線的圓)內(nèi)和附近的磁力線投影,參數(shù)C取不同的值621 圖11.14 電流片內(nèi)生成的暗條的支撐(a)中性片內(nèi)電流暗條的磁位形;(b)光球上方h處暗條產(chǎn)生的磁場(實線)622 圖11.15 兩根線電流之間的排斥力623 圖11.16 電流片內(nèi)暗條的形成,活動區(qū)上方有磁場,活動過程中磁場形態(tài)(a)活動早期;(b)主相;(c)后期624 圖11.17 (a)反向磁通量從光球上浮現(xiàn);(b)新磁通上升至日冕形成電流片;(c)電流片中出現(xiàn)撕裂,并合626 圖11.18 背景場為水平、均勻,圖上顯示的是背景場,暗條電流及鏡像電流場的疊加626 圖11.19 柱狀暗條模型(a)中性點在暗條上方(B0R0/F<.1);(b)(.1 圖11.21 Anzer模型的幾何示意圖初始時刻環(huán)為半徑r0的半圓,漸漸變大,直至占半徑為r的大圓圖中R=2.5R⊙635 圖11.22 日冕上的暗條和日盔位形左邊是暗條在日面上的形態(tài),右邊是日面邊緣的形態(tài)639 圖11.23 B,ρ和P是磁通管內(nèi)的磁場、密度和氣體壓強磁通管上方和下方用下標(biāo)“1”和“2”表示相應(yīng)的物理量r1和r2表示層(1)和層(2)磁力線的位移639 圖11.24 瞬變的速度-徑向距離(r/R⊙)圖實線是磁拱的圖虛線是磁環(huán)速度在光球附近隨高度快速增加,很快接近常值641 圖11.25 歸一化的寬度(D/D0)-徑向距離(r/R⊙)圖實線對應(yīng)磁拱,虛線是磁環(huán)初始的振蕩是因為驅(qū)動力的變換不連續(xù)所致寬度隨高度很快變得幾乎線性增長642 圖11.26 歸一化氣體密度(ρ/ρ0)-徑向距離(r/R⊙)圖密度下降～1/r2比周圍的太陽風(fēng)下降快,因此地球附近瞬變物質(zhì)密度低于太陽風(fēng)的密度642 圖11.27 磁場(B/B0)-徑向距離(r/R⊙)圖磁場衰減～1/r2643
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