磁螺度以及在太阳物理上的应用.pdf

第30卷 第4 期 河 师范大学学报(自然科学版) Vol.30 No.4 2006 年　7 月 Journal of Hebei Normal University (Natural Science Edition) Jul.2006 磁螺度以及在太阳物理上的应用 陈　洁, 　包曙东, 　张洪起 (中国科学院 国家天文台, 京　100012) 摘　要:磁螺度应用到天体物理尤其是太阳物理上, 从而变为一个热门的领域.螺度用以描述磁场的复杂 结构, 例如磁场的扭曲、缠绕、连结、编辫, 作为一个物理量, 与能量不同, 在完全理想的磁流体力学(MHD)中, 它是一个守恒量.在磁重联过程中, 螺度近似守恒, 应用到太阳大气上, 可以计算磁螺度的传输.最近的观测发 现在太阳上螺度存在南 半球的不对称性, 半球主要为负螺度, 南半球正螺度占优势;阐述了在太阳大气不 同层次这种不对称性的表现形式, 并介绍了对这种规律的有代表性的解释;介绍了国际国内螺度研究的必威体育精装版 进展, 指出了有待于解决的一些关键问题. 关键词:天体物理;太阳磁场;磁螺度;综述 中图分类号:P 182.7　　　文献标识码:A 　　　文章编号:1000-5854(2006)04-0423-06 近年来, 磁螺度这个量变得越来越热.用传统的物理量, 比如能量和磁通量, 无法描述磁流体力学中 复杂的磁场;而磁螺度可以研究复杂磁力线的拓扑结构, 可以解决太阳活动区磁场的非势性问题.磁螺 度与经典的发电机理论、太阳活动周、以及近地空间的物理环境有重要的关系. 磁螺度与数学上的拓扑有一定的关系, 还是物理量, 最近应用到空间物理、天体物理中.Elsasser[1] [ 2] 首次提出磁螺度这个概念, 并指出在理想的磁流体力学(MHD)中它是守恒的.Woltjer 把它引入到空 间物理和天体物理的研究当中.但是, 磁螺度应用到空间物理上遇到了一个重要的困难:开放区域的磁 [3] 螺度不是一个规范不变量.Berger 等 提出了相对螺度概念使这一问题得到解决, 并在此基础上, 又给 出一定的条件和限制, 推导出相对螺度随时间变化的公式.这一开创性的工作, 使螺度能够应用到天体 物理中, 尤其是太阳物理上.这样, 可以通过观测计算磁螺度随时间的变化率, 活动区电流螺度的符号. 本文中, 笔者介绍了螺度的理论, 阐述了观测方面的必威体育精装版进展, 并总结了螺度研究中存在的问题. 1 　理论方面 1.1　磁螺度积分 流体力学中的螺度密度定义为:hf =v ·Δ×v , 且 Ψ=Δ×v .与流体力学中螺度密度定义相似, 磁 螺度密度为hm = A ·Δ×A , B =Δ×A , 即 　　　　hm = A ·B . (1) 3 螺度积分的一般形式为 X ·Δ×X d x , 以此类推, 磁螺度的积分可以定义为 ∫ 3 　　　　H = A ·B d x . (2) ∫ 1.2　螺度守恒 [ 2] 在理想MHD 中, 如果磁边界面闭合, 则螺度守恒.Woltjer 对此进行了证明.从Maxwell 方程出 发, 得出 B 　　　　 =Δ×(v ×B ).