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    太阳风湍流(MHD)
    作者:admin    发布于:2023-10-10 19:05    文字:【】【】【
    摘要:当我们在距离太阳一个AU的地方测量太阳风能谱(能量密度随频率的分布)时,会发现:在赫兹附近存在一些大尺度的、长时间的扰动,其能量与频率的-1/3次呈正比,称为;在频率最高

      当我们在距离太阳一个AU的地方测量太阳风能谱(能量密度随频率的分布)时,会发现:在赫兹附近存在一些大尺度的、长时间的扰动,其能量与频率的-1/3次呈正比,称为;在频率最高的区间(接近于离子回旋频率时),能量急剧减小,说明存在较强的

      回顾一下太阳构造,自内向外依次为:核心core、辐射区radiative zone、对流区convection zone、光球层photosphere、色球层chromosphere、日冕层corona。光球层之外称为太阳大气,光球层之内称为太阳内部。这里还需再引入一个

      ,指日冕之外、太阳风所能到达的区域,十分广泛,包围了整个太阳系,其中太阳风以超音速、超阿尔芬速充斥其中,并阻挡大量宇宙射线。

      一般认为,在光球层与日冕(或者说较矮的太阳大气区域)中产生向外传播的亚音速、亚阿尔芬速的流动,其中一部分在对流作用下变成超音速、超阿尔芬速的太阳风向外传播,形成日光层。太阳风也被分为fast wind(800km/s)与slow wind(250-350km/s)。太阳风极其稀薄,约1-20个particles每立方厘米,因而极易受到一些强烈扰动的影响,如无碰撞激波(collisionless shock waves)、磁云(magnetic clouds)、日冕抛射(CME)等。至于太阳风为什么在阿尔芬速度的区间内传播,是因为快磁声波模与慢磁声波模都受朗道阻尼影响,含有的能量极少,故大多数能量储存在阿尔芬模内。

      随着时间,太阳风湍流不断由大尺度结构演化出小尺度结构,因而能谱中对应于energy containing range(也就是前面所说的E\propto f^{-1}区间)部分的能量将减小,亦即该区域的“缩水”(shrink),测得能谱中满足E\propto f^{-1}的区间逐渐被更高斜率的区间取代,该现象已被实验测得。

      联系磁流体中阿尔芬波的性质,理论学家预测太阳风扰动的磁场能与动能应当是相等的,但实际测得其比值r_A=E_V/E_B处在0.4到1.0之间。二维数值模拟中发现在较强的平均磁场环境下,r_A约等于1,在较弱的平均磁场下则可能小于1,但具体的分布与影响因素尚不清晰,三维模拟还很少,理论研究中得到的结果也与实验探测不符。因而这将是接下来模拟研究的一个重点方向。

      早期都是对rectangle模型进行数值模拟的,现在都开始发展spherical模型,这自然地引入了太阳风传播过程中空间膨胀(expansion)的效应,计算难度大大提高,得出与实验相吻合的现象是很有挑战性的。

      早期运用的都是不可压缩MHD方程,现在也都开始计算可压缩MHD方程了,需要考虑密度扰动的同时,得出的结果也应与不可压缩MHD方程得出的结果相一致,更应体现一些新的物理。

      太阳风是一种不断演化的磁流体湍流,在太阳大气中以阿尔芬性的波动存在并向外传播,其阿尔芬性(Alfvenicity)在日光层中易受速度切变与电流片的影响而下降。

      至今仍有许多关于太阳风的未解之谜,例如很重要的一点——太阳风的对称结构(symmetry)到底是怎样的,还有能谱关于频率的斜率该作何解释,expansion对湍流演化的影响。

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