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太阳光球层内存在一个小尺度磁冠结构的拼接层吗?
2021-08-05  |  作者:  |  【  】 【打印】 【关闭

  近日,由中国科学院云南天文台李焱研究员带领的研究团队,提出了一种通过分析p模式震荡频率来探测太阳大气层中小尺度磁场分布的新方法,并且发现太阳光球层中存在一个以前尚未被认识到的小尺度磁冠拼接层。该研究成果 “Can small-scale magnetic fields be the major cause for the near-surface effect of the solar p-mode frequencies?” 于8月1日在国际权威期刊《天体物理杂志》 (The Astrophysical Journal)上在线发表。

  1962年,莱顿等人发现太阳表面存在一种周期在5分钟附近的震荡现象,随后的观测与研究表明,这是一种类似于声波的驻波,并将其称为太阳p模式震荡。通过对这种驻声波的长时间跨度和高时间和空间分辨率的空间与地面观测,已经证认出上百万个振动模式,并且获得了其高精度的频率。这些数据为了解太阳内部发生的物理过程和反演太阳内部结构提供了难得的机遇,并且推动了一个新兴学科——日震学的蓬勃发展。

  以往对太阳p模式震荡的众多研究结果表明,根据标准太阳模型计算得到的诸个振动模式的频率系统性地偏离观测到的对应振动模式的频率,最大可达到20μHz。由于太阳表面附近的物理结构对高频振动模式的影响大于对低频振动模式的影响,因此这一系统性偏离被称为近表面效应。最近的一些研究结果认为湍对流对太阳光球区物理结构的影响是造成这种近表面效应的原因,并且在近似考虑湍对流效应的基础上可以将最大偏差减小到3μHz左右。

  太阳光球宁静区的小尺度磁场是太阳磁场的一个重要组成部分。由于其尺度很小,在通常的太阳表面磁图上看不到它们的踪影,因而被称为“隐匿的磁场”。搭载在Hinode卫星上的SOT观测表明,其水平分量的大小为55高斯,垂直分量的大小为11高斯。磁流体力学三维数值模拟研究表明,对流运动会将原先均匀分布的磁场上推到距离光球层底部400~500千米的高处,形成水平分量并呈现出层状分布。由此形成的磁场位型被称为“小尺度磁冠”结构。小尺度磁场在太阳表面几乎无所不在,其蕴藏着巨大的磁能,可以与外层大气产生耦合,并且为日冕物质加热提供充足的能量储备。

  小尺度磁场与驻声波可以存在两个方面的相互作用。首先,这种极性混杂的磁场可以产生磁压,通过影响当地的流体静力学平衡状态从而改变太阳大气层中的气体压强和声速分布,进而影响到驻声波的传播;其次,磁场同样可以扮演振动回复力的角色,进而导致振动从纯声波逐渐向磁声波转变,并发生反射与折射现象。

  在本项工作中,研究团队通过在太阳大气模型中引入磁场和磁压,通过调整磁场出现的位置和磁压的大小来考察驻声波在太阳大气层中的传播。研究发现,三维数值模拟所揭示的那种小尺度磁冠结构在太阳大气层中的分布不能是随机的,而必须是在水平方向上相互拼接在一起形成一个小尺度磁冠拼接层。于是,跨越这个小尺度磁冠拼接层时,磁场强度会增加,导致磁压的迅速上升和与之相伴随的气压的快速下降。驻声波从太阳内部传播到此处将发生全反射现象,从而等效于增大了声波的传播区域。

  研究团队比较了由此给出的p模式振动理论频率与观测得到的对应模式的频率,发现其最大偏差仅为0.5μHz左右,大大优于目前其他模型给出的结果。由此推断得出的磁场强度为90高斯左右,与观测得出的结果相符。同时,由此推断出的小尺度磁冠拼接层的高度是距离光球层底部约630千米,与三维数值模拟给出的小尺度磁冠结构的高度大致相符。

  小尺度磁冠拼接层的发现,不但朝着最终解决太阳p模式震荡长期存在的表面效应问题的方向推进了一大步,而且为深入了解太阳光球层物理结构与磁场的起源提供了重要的线索。

  本项研究工作得到国家自然科学基金的资助。

  论文链接

 
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