太陽風的二維數值模擬技術方法綜述

張超超

摘 要：日球子午面內的二維模型廣泛運用于定態太陽風的數值模擬研究。我們最近將多步隱格式用于日球子午面內太陽風的二維數值模擬，以阿爾文波作為主要的供能機制，據此獲得的定態太陽風解較好地擬合了Ulysses和SoHo飛船的有關觀測結果。本文將就數值模擬中所取得的新結果和采取的計算技巧進行簡要綜述。

關鍵詞：太陽風日球子午面；二維數值模擬

太陽，作為太陽系的中心天體，直接影響地球上的環境和生命。太陽表面劇烈的爆發活動，如太陽耀斑，日珥爆發，日冕物質拋射等，當其到達地球附近的時候，強烈的影響地球空間環境，進而引發強地磁暴、損害地球軌道飛行器、傷害宇航員并威脅電力和通訊系統的安全運行等馮學尚等特別是近二、三十年來航天和通信等空間技術的快速發展使得太陽與地球之間的空間環境，即日地環境，越來越受到人們的普遍重視。為此，一些國家相繼發射與之相關的科學實驗衛星和空間環境監測衛星，如SOHO，Ulysses等。這些衛星相互補充，在近日空間、行星際空間、和地球附近等進行了大量有效的觀測。同時地面儀器也提供了很多寶貴的觀測。這些觀測手段和觀測方法相互補充，顯著地提高和豐富了人們對整個日地空間中復雜物理過程的認識和理解。然而，大量的觀測也揭示了一些理論過于簡單，而不能解釋新的觀測現象。因此，過去的幾十年出現了許多有關日地空間物理方面的理論和觀測工作。在這里將采用日球子午面內的二維模型廣泛運用于定態太陽風的數值模擬研究，我們將結合觀測數據進行太陽風的研究，由于篇幅限制不能全部引述，而只是介紹與論文相關的理論和觀測結果。

一、太陽風正演模擬方法研究

本文采用一種新的格式時間空間守恒格式已經被用于模擬磁重聯的現象，同時也被成功用于背景太陽風和擾動事件的模擬。如上面所述，算法有許多不同于傳統算法的特征。并且算法又是內在的多維格式，很容易實現并行化。因此也非常適合大尺度問題的模擬。關于算法的細節，我們不再熬述，感興趣的讀者可以看上面提到的文章及其參考文章。在這里，算法將被用于片網格上以解上面所提到的控制方程。

二、研究結果綜述

所取得的新結果包括：①在太陽活動低年，高速流不僅來自極區冕洞，也來自冕洞之外的日面開場區。②低速流源區位于冕流外部附近的日面開場區，該處流管的非單調膨脹導致波壓和氣壓梯度力的變弱甚至反號，使得低速流出現非單調流速剖面的。③聲速臨界線在低速流區出現扭折，說明沿低速流流管出現了3個聲速點；而這一結果與低速流的非單調流速剖面密切相關。④阿爾文臨界線在低速流區向外突出，與以往得到的阿爾文臨界線向下穿過冕流頂部的模擬結果恰好相反，但與低速流區阿爾文數低于高速流區的觀測結果保持一致。⑤引入方位磁場和方位流動，對日球子午面內的太陽風特性兒乎沒有影響。因此，在分析日球子午面內二維定態太陽風及行星際擾動傳播問題時，可忽略方位分量，采用二維二分量模型。⑥觀測表明，行星際磁場比Parker預言的螺旋場纏得更緊，即磁場與徑向的夾角更大；我們指出，這一緊纏可能來自日面的同向方位磁場擾動，太陽較差自轉為這類擾動提供了源頭。

三、正演實驗過程注意的問題

在進行日球子午面內定態太陽風的二維數值模擬過程中，應著重注意以下問題：①數值格式應當具有最低的數值耗散，以確保定態太陽風的質量、能量和角動量守恒，從而使得定態太陽風解具有實際意義。我們將討論如何改進原來的具較強數值耗散的多步隱格式，使得數值耗散降至最低，從而改善定態太陽風解的守恒精度。②日球電流片在地球軌道附近的寬度不到10km，折合緯寬不到0.0004”，遠小于緯向計算網格寬度。因此，在太陽風的全球模擬中，宜將日球電流片處理為理想間斷，而不是將其耗散為有限緯寬的過渡層，否則將使得橫跨電流片的低速流解出現非物理畸變。③跨越日球電流片的數值重聯使得太陽風解圍繞某準定態振蕩，這一定程度上降低了低速流區的計算精度我們將介紹一種特別舉措，使這類振蕩顯著減弱，大大改善低速流區的計算精度。

參考文獻：

[1]苑順周.2011.地磁活動相 關 問 題 研 究[碩 士 論 文].南京：南京信息工程大學.

[2]Shen Z C， Kong W J， Feng W Q， Ding Y G， Liu Y M， Zheng H Q， Zhao X， Zhao C Q 2009 Acta Phys. Sin. 58 860 （in Chinese） [沈自才， 孔偉金， 馮偉泉， 丁義剛， 劉宇 明， 鄭慧奇， 趙雪， 趙春晴 2009 物理學報 58 860]

（作者單位：成都理工大學地球物理學院）