磁重联电流片精细物理过程的高性能数值模拟方法研究

Magnetic reconnection is a key process in the violent energy release process like solar eruptions, by which the magnetic energy is converted into heating and kinetic energy of plasma, as well as the kinetic energy of the energetic particles. It occurs in the current sheet between two magnetic fields of opposite polarity. Unlike that forms in the laboratory, the current sheet forms in the solar eruption possesses large scale and manifests fast evolutionary behaviors with its one end anchored to the dense photosphere at the bottom of the solar atmosphere. The proposed work here will take the reconnecting current sheet developed by the solar eruption as an example to explore the approach to enhance the capability of MHD simulation on the basis of an open astrophysical code, namely ATHENA, with high spatial resolution. The specific purpose of conducting such a exploration is to find a proper method to implement the line-tied boundary condition on the bottom boundary, which is used to model the dense photosphere, in the simulation to the staggered mesh of the ATHENA in a consistent fashion. With the success of the proposed work, we shall possess a powerful tool in the future for investigating various important physical processes occurring in the violent eruptive phenomena like the solar eruption.

在太阳爆发这种剧烈的局部能量释放过程中，磁重联是一个关键的过程，它将磁能迅速转换为等离子体的动能和热能，并加速高能粒子。磁重联一般发生在相反走向的磁场之间的电流片当中。与形成于实验室环境和尺度的电流片有所不同，在太阳爆发过程中形成的电流片具有宏观尺度大、演化快、足点被束缚在致密的光球当中等特点。本项目将以太阳爆发过程中的磁重联电流片为实验对象，探讨提高MHD模拟的分辨率并增强适合于研究太阳爆发的计算方法性能的途径，特别要针对太阳大气底部特殊的边界条件，即磁牵连（line-tied）边界条件，安排和设计出专门的计算方法，并且将这样的方法与主程序交错格点的设计方式有机地融为一体，使之能够成为我们今后研究和探索类似于太阳爆发的现象中的各种重要物理过程的有力工具。

本项目以太阳爆发过程中的磁重联电流片为实验对象，探讨提高MHD模拟的分辨率并增强适合于研究太阳爆发的计算方法性能的途径，特别针对太阳大气底部特殊的磁系连（line-tied）边界条件，安排和设计专门的计算方法，并且将这样的方法与主程序交错格点的设计方式有机地融为一体，使之成为今后研究类似现象中各种重要物理过程的有力工具。我们据此进一步扩展了Titov & Demouliin 1999模型的相关程序模块，使其可以适用于不同的环境和针对不同的问题，并在计算中实现了三维稳定的重力分层大气，而且大气初始温度分布可以根据需要进行调整；在此基础上成功构建了底边界接近真实情况的磁力线Line-tied环境。通过进一步采用内边界数值计算，我们在保证太阳大气中物理过程不失真实性的前提下，大大降低了在底边界实现Line-tied条件所需的计算网格数量。在此基础上，我们通过MHD模拟，考察了耀斑环顶磁重联外流于耀斑环顶相互作用产生的终止激波的观测特征和物理性质，结合高分辨率空间望远镜得到的成像和光谱数据，首次在没有射电资料的情况下，证认了一个大爆发事件在耀斑顶部产生的终止激波，并分析了其中的等离子体成分及其相应的动力学性质。数值模拟的结果与观测结果高度一致。针对太阳爆发在不同太阳大气层中产生的各种扰动现象，我们考察了一个背景磁场由二维磁四极子所产生的日冕复杂磁结构失去平衡之后的演化，及其在周围环境中所产生的扰动，使用了包括底边界上系连条件、重力分层等真实太阳大气环境的边界条件。结果表明，爆发产生的快模激波在传播中向各个方向扩张，并在大气层中产生各种扰动，其中最重要的一个扰动是快模激波到达底边界时产生的反射波。通过与观测结果的仔细对比，证实了从观测上证认这个反射波的有效办法，确认了太阳爆发过程中这些扰动现象的真波性质。我们同时考察了磁重联过程中带电粒子加速的情况，主要研究了包括多个磁岛之间有相互作用以及引导场在内的磁重联电流片上的粒子加速。结果表明磁岛相互作用阻碍加速，而引导场帮助加速。