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楼主: henryharry2

[建议] 统一场论(太阳物理)

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 楼主| 发表于 2012-10-28 13:39:09 | 显示全部楼层

量子引力在太阳物理中的作用

(讽刺的是,自从有了汽车以后,人类似乎又从“脊椎动物”变成了“外骨骼动物”)。我们的模型还得到了凝聚态物理的支持,例如溶致液晶的自组织也满足“肥皂泡定律”。轴单极子凝聚一方面相当于软模凝聚,当有了方向性以后,则可以起到轴矢量场的等离子体作用,在凝聚态物理中会产生中心峰;有了方向性以后,似乎还可以扮演液晶中的指向矢作用。

由于极矢量场与轴矢量场对偶,我们可以统一处理太阳的磁场与对流。以太阳黑子为例,很明显黑子的磁场并没有完全压制住对流(为什么要完全压制对流呢?),而且黑子磁场模型并不能解释半影中的亮纤维和暗纤维,更不能解释亮桥是如何产生的,弦模型可以很容易解释亮纤维和暗纤维,只要你将它们的称呼改成“亮弦”和“暗弦”就可以了。还是以“脊椎动物”作类比,主弦相当于“脊椎”,“肋骨”则可以起到“亮弦”和“暗弦”的作用。

有了弦以后,针状体和反常高温的问题也好理解了。弦相当于指向矢,针状体则与超流中的热机械效应相当;在氦4超流中,由于没有指向矢,喷泉效应是没有指向的,有了指向矢后,喷流则可以顺着弦爬上去,省了不少力气。日冕的反常高温则相当于超导热性,超导热性传递的是能量,由于越往日冕高处,日冕物质密度越低,而能量是固定的,因此温度反而升高。
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 楼主| 发表于 2012-11-1 11:55:06 | 显示全部楼层

等效原理的量子表述

利用庞加莱原理,我们知道相对运动与热之间的等价性,再加上等效原理的量子表述,我们知道热也可以“冻结”在凝聚体中。作为一个例子,太阳的耀斑爆发在很短时间内就可以影响到地球的表面,经典物理是无法理解的,这便是著名的“能量困难”和“传递困难”。

有了等效原理的量子表述,我们便可能理解“能量困难”和“传递困难”了。通过比较可以看出,轴单极子凝聚后,等效原理使和Landau的二流体理论是同构的。当然,地球的上层大气与下层大气之间的引力并没有那么强,但此时必须将地球整体看成一个凝聚体,将地球的引力也考虑进去,于是,通过轴矢量场的重组便可以有效地传递热量。

有一个疑问是,大自然为何要将轴矢量场分成两种,一种是强相互作用和弱相互作用中的轴矢量,另一种是引力;而这两种轴矢量场虽然服从相同的对称性,却在耦合强度上相差那么大,这便是著名的规范等级问题。我们发现,轴单极子凝聚生成弦,等于从三维凝聚到一维,可以一下子将能量提高很多倍,以μ子为例,假设我们的分析是对的,电子吃进了一个牛顿引力子相当于μ子,这相当于轴矢量从三维凝聚到一维,质量一下子提高了200多倍。
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 楼主| 发表于 2012-11-6 09:31:46 | 显示全部楼层

太阳与天气现象的相关

由前面所述可见,起源于太阳的短波和粒子辐射,一般来说只能到达地球电离层以上的区域,无法直接到达天气现象所在的对流层。然而从19世纪开始的统计研究却发现,太阳黑子相对数和太阳耀斑的发生与一些地区的气象和水文参数存在相关。这些参数包括平均气温、气压、雷暴频数、臭氧含量、旱涝,以及大河流或港口的水位和冰冻期等。
图10.8为伦敦地区年平均气温的5年平滑值与黑子相对数年均值的关系。它明白无误地表明了它们之间密切相关。图10.9则为地中海季风年频数与黑子相对数的关系。魏鼎文的研究表明北欧地区冬季的臭氧含量明显受到太阳活动11年周期的调制,其相关系数为0.63,但夏季则不明显。曲绍厚的分析表明,南极在1965~1986年间10月份的臭氧含量与太阳射电10.7cm流量的相关系数约为0.70,而2月份的相关系数只有约0.30,但认为也不能排除南极臭氧洞有人类活动的影响。
按照传统的大气动力学观点,直接受到太阳短波和粒子辐射轰击的地球高层大气的电离和热状态的变化,必然会通过热层、中层、平流层和对流层之间的动力学耦合而向下层传递,从而最终影响到天气现象和气候(气候是指一段时期内各气象要素的平均状态)。可以设想,这种通过各层间动力学耦合向下传输的能量,必然需要几天以上的时间才能到达天气现象所在的对流层。这样,太阳活动与气象和水文状态的相关应表现为一种较长期或一段时期的平均效应。因此按照这种传统概念,如图10.8和图10.9所示的太阳活动参数与气象参数年均值甚至月均值之间的相关,都是可以理解的。
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 楼主| 发表于 2012-11-6 09:36:15 | 显示全部楼层

太阳与天气现象的相关

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图10.10 太阳耀斑前后的全球雷暴频数分布。(a) 1961~1965年;(b) 1966~1970年。
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 楼主| 发表于 2012-11-6 09:38:19 | 显示全部楼层

太阳活动对低层大气的影响

然而实际观测又表明,太阳耀斑的发生和行星际磁场扇形边界通过地球等这类准瞬时现象,也会在很短时间内对地球低层大气产生影响。Schuurmans的研究表明,耀斑发生后24小时内,等压面的高度就有明显变化,其变化范围远比无规则涨落要大。在45°~65°的中纬度地球,等压面高度增大;而在大于70°的高纬地区,高度降低,冬季最为明显。耀斑发生后的两天中,对流层内顶部附近温度每天升高7°,而平流层内底部附近仅升高1°,从而认为太阳耀斑对于对流层有直接影响,这种影响不是从上层逐步传递下来的。
图10.10是耀斑前后全球雷暴频数分布。其中以耀斑出现日(第0天)为基准,耀斑前后各日的雷暴频数以百分比表示。由图可见,耀斑发生后的第3~4天,雷暴频数最大,表明太阳耀斑的效应可于3~4天内到达对流层。
图10.11则是Wilcox等人用历元叠加法得到的太阳磁场扇形边界通过地球前后,表征大气环流状态的涡度面积指数(简称VAI)的变化情况。图中扇形边界通过地球为第0天,y轴为20°以北整个北半球300毫巴等压面上涡度的低压槽面积数。所用的是1964~1970年7个冬季共54个扇形边界通过地球时的资料。图10.11表明,扇形边界扫过地球后一天,VAI出现一极小,在第2~3天又有约10%的增大。这一现象在对流层各高度上都存在,但平流层中只出现在最低层。
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 楼主| 发表于 2012-11-6 09:41:01 | 显示全部楼层

太阳活动对低层大气的影响

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图10.11 地球通过扇形边界前后的VAI变化。(a) 点线代表24个边界,两侧磁场由向着太阳变为离开太阳;虚线表示32个边界,磁场变化相反。(b) 点线表示11月1日至1月15日的32个边界;虚线为1月16日至3月31日的22个边界。(c)点线为1964~1966年的26个边界;虚线为1967~1970年的28个边界。
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 楼主| 发表于 2012-11-6 09:42:26 | 显示全部楼层

可能的物理机制

傅元芬和黄寅亮的研究也表明太阳耀斑与我国发生的雷暴存在相关,但这种关系与地区有关。耀斑发生后,有些地区雷暴增强,另一些地区则减少。他们的研究还显示这种影响与耀斑的日面位置有关,日面东边的耀斑能引起较强的雷暴。
成永勤的研究表明,80%的强质子事件发生后72~80小时,我国长江以南地区平均降水有明显增长。叶宗海和薛顺生分析了1955~1978年间太阳质子事件与大气VAI的关系,发现4级质子事件与VAI存在相关,但1~3级质子事件对VAI无影响。太阳活动与天气和水文现象相关的文献浩如烟海,上面仅举一些典型事例。
从以上所述可见,太阳耀斑和质子事件以及行星际磁场扇形边界扫过地球等准瞬时现象,也可以在1~2天,至多3~4天内对地球低层大气产生影响,这是难以用传统的动力学耦合使能量从上层逐步向下传输来解释的,这即所谓“传递困难”。
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 楼主| 发表于 2012-11-6 09:45:54 | 显示全部楼层

“传递困难”和“能量困难”

对于最剧烈的太阳活动现象,即发生太阳耀斑时,由各种测量的综合估计,其中粒子辐射约占3/4,而光辐射约占1/4。太阳耀斑的光辐射增强集中在X光和紫外波段,基本上被电离层以及大气吸收,不能到达低层大气,从各种估计表明,由高层大气吸收的能量通过动力学耦合传递到对流层的能量只有1/100左右,这个能量远远不足以推动天气过程。因此从能量大小来看,用传统的动力学耦合从上向下传递能量来解释太阳活动与天气的关系也是有问题的,这就是“能量困难”。
不过在10.2.2小节所述的太阳耀斑活动现象产生的地球高层大气加热将引起低层大气向上运动,从而影响低层大气的环流状态,导致天气变化。考虑到大气密度随高度增高而减少,气体从下向上运动比从上向下运动更为容易,因此这种由高层大气加热而使低层大气向高层运动,从而改变大气环,进而导致天气变化的观点,似乎比传统的通过层间耦合向下传能的看法更有说服力。
总的来说,关于太阳活动如何影响天气变化的物理机制,目前尚无统一的认识。除了上述解释外,还有两种颇具吸引力的机制就是大气电学机制和臭氧调节机制,它们似乎可以避开“传递困难”和“能量困难”。
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 楼主| 发表于 2012-11-6 09:47:45 | 显示全部楼层

大气电学机制

本帖最后由 henryharry2 于 2012-11-6 09:49 编辑

大气电学机制的提出基础是太阳耀斑与大气雷暴现象密切相关的观测事实。因此在大气电学机制中,雷暴成为关键因素。太阳耀斑与雷暴相关暗示太阳短波和粒子辐射增强有可能使大地和大气电场以及电导率产生显著变化。其物理过程可能有两种:其一是通过对低层大气的主要电离源,即银河宇宙线的调制(Forbush效应)直接影响低层大气的电离度和电导率。庄洪春和Roble的计算表明银河宇宙线产生的地球低层大气的电离度和电导率明显受到太阳活动的调制,在极区附近的电导率变化可达45%。这种变化可能会对天气过程起重要作用。另一种可能是地球大气与大地之间实际上存在如图10.12所示的全球电路。图中的雷暴活动相当于一台使电路运行的发电机。当太阳耀斑的增强辐射或行星际扇形边界扫过地球时,将会改变电离层与雷暴区之间的电阻,使协暴活动增强,并伴随有云的形成和降水等一系列天体过程,它们所释放的潜能将进一步推动天气变化。
还有一种观点认为,太阳活动和太阳风起伏可能引起地球自转变化,这将引起大气角动量的变化,从而影响大气环流和天气变化,以及引发厄尔尼诺现象。
臭氧调节机制则认为在太阳活动对天气的影响中臭氧含量的变化起重要作用。地球大气中臭氧的分布大致在10~50km高度,极大浓度位于20~25km处。波长短于2900Å的太阳紫外辐射几乎完全被臭氧吸收。因此臭氧是平流层的主要热源。当太阳耀斑发生时,其增强的紫外辐射使臭氧的吸收增大,导致平流层升温。数值模拟表明,臭氧加热对大气环流将有重要影响。而大气环流的变化当然将导致天气过程的变化。
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 楼主| 发表于 2012-11-6 09:51:20 | 显示全部楼层

可能的物理机制

总的说来,关于太阳活动对地球低层大气影响的物理机制远未弄清。迄今提出的各种机制中,基本上都是定性(至多是量级)讨论。定量的计算必须涉及许多假定,它们的合法性又难以确定。由于机理不清,近百年来关于太阳与天气关系的研究,除了继续各种现象之间的统计相关分析外,理论上的进展比较缓慢。
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图10.12 大气-大地电路示意
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 楼主| 发表于 2012-11-6 11:06:40 | 显示全部楼层

可能的物理机制

我们发现,“传递困难”和“能量困难”应该是一种量子引力效应。大气导电机制不可取,假如地球大气真能导电的话,人可能早就被电死了。我们将引力表述为:引力=牛顿+Weyl。实际上牛顿引力总是与大气产生的排斥力相等的,但地球中的轴单极子会生成一个指向太阳的弦(指向矢),这可以解释为何地球因潮汐效应引起的自转变慢比牛顿引力预期的少一倍。

我们发现,引力和热力是能够统一的,它们不是在牛顿项上,而是在Weyl项上实现了统一。根据等效原理的量子表述m/m=1,可以将Weyl项看成是一种对称项,而热运动引起的排斥力看成是反对称项;于是引力和热力之间就相当于一种轴矢量场的超对称性,这样热力可以被“冻结”在弦中。爱因斯坦最初的想法是将引力张量表述成:对称项+反对称项,我们看到,如果将爱因斯坦的直观想法改成一种量子统计效应,那么就可行了。

这相当于:对称项+反对称项=牛顿-庞加莱统计+ Maxwell-Boltzmann统计。这样,大气的传热机制就与黑子中的磁流管传热机制有异曲同工之妙。关键在于,要将大气粒子之间的碰撞看成是一种统计效应,未必需要它们之间真的碰撞,只要满足反对称性就可以了,现在由于有长程的引力相互作用可以引起它们的虚碰撞,这类似于费米液体中的零声。
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 楼主| 发表于 2012-11-9 11:35:12 | 显示全部楼层

日冕物质抛射

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从左至右,是持续两小时的系列图像,展示太阳上巨大的日冕物质抛射的爆发。几十亿吨的荷电气体抛射到太阳系空间。这次日冕物质抛射事件没有直接冲向地球。
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 楼主| 发表于 2012-11-16 10:24:17 | 显示全部楼层

耀斑

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剧烈活动的太阳上的明亮耀斑,由太阳和太阳风层天文台在紫外光波段上拍摄。耀斑爆发利用大量磁能,把物质以每小时几百万千米的速度抛入太空。
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 楼主| 发表于 2012-11-16 12:15:20 | 显示全部楼层

弦与场的对偶性

Wilson和Polyakov的电流圈是弦理论的圈量子引力的基础,但是正如Smolin分析的,弦理论似乎与圈量子引力水火不相容,我们已经找到了其中的原因。也就是说,根据我们的量子引力,可以构造出一个M-理论,而弦和圈恰好是M-理论的两个不同方面。这要从两个方面说起,一是为什么会有弦,二是弦和圈的观测证据。首先是,为什么会有弦呢?

特Hooft证明了无质量的量子场论是可以重正化的,他的导师Veltman则发现了很多广义Ward恒等式,第一个是康普顿散射,无质量的光子场产生的无穷大与有质量的电子场产生的无穷大相互抵消。在庞加莱原理中,根据牛顿第三定律(作用力等于反作用力)的量子表述,这两部分也是一开始就抵消的,但是,抵消之后不是意味着什么都没有了(根据极矢量量子场论,抵消之后确实是什么都没有了),否则就没有太阳引起的光线偏折现象了。

于是,根据轴矢量场的真空定义,我们又奇妙地回到了爱因斯坦最快乐的思想,即认为宇宙中其实根本不存在什么力,经典力完全是时空弯曲的表现形式。我们这种动态抵消与极矢量量子场论的抵消法是不同的,引力中所有的力(根据爱因斯坦最快乐的思想)都是两两抵消的。
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 楼主| 发表于 2012-11-16 12:33:11 | 显示全部楼层

弦与场的对偶性

像我们这样通过动态重正化构造的引力当然没有无穷大的烦恼,但这也意味着引力场越强大的天体其引力构造也复杂。事实证明也是如何,例如太阳就非常复杂,而根据广义相对论,太阳应该就是个浑圆的球。另外,根据量子引力,黑洞应该非常复杂,不是只有三根毛,这与高能物理的实验结果是一致的,越往高能区域,粒子之间的合成道与衰变道就越多,黑洞显然是属于宇宙中最高能的区域,很多在常态下不稳定的粒子在黑洞中都可能变成稳定的。

根据量子引力中平直空间与弯曲时空的对偶性,考虑太阳引起的光线偏折中的光子,光子划过天空的世界线,一方面光子的轨迹是弯曲的,另一方面光子在平直时空中也会留下一条世界线,根据我们的理论,这条世界线是一条射影时空中的无穷远直线。

另一方面,由于引力很尊重其他三种力,所以引力符合全息原理。最奇怪的是,我们的那个奇怪的全息宇宙学模型似乎正是真实宇宙的模型,因为根据全息原理可以推导出来。这样,宇宙中所有的光子都是禁闭的,逃不出宇宙的手掌心。于是,假如多出的一维不是真实的物理维,而是抽象空间的一维,那么弦的确存在,因为你可以将光子的世界线看成弦。
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 楼主| 发表于 2012-11-16 12:53:43 | 显示全部楼层

弦与场的对偶性

这与核子中的情形类似,胶子是禁闭的,于是我们可以将胶子的世界线看成弦。在我们的理论中,量子色动力学与弦理论其实是对偶的,这样QCD与弦理论可以“停战”了。我们还解决了另一个理论问题,很多人认为宇宙中的高能喷流产生的高能辐射是逆康普顿散射的结果,但他们无法从理论上证实;而根据量子引力理论,现在我们知道,在引力场很强的情况下,可以直接将引力能转换成极矢量能引发高能辐射,这相当于轴矢量到极矢量的转换。

至于观测证据,天文学家早就为我们准备好了。棒旋星系中的棒,漩涡星系中的旋臂以及土星的光环。根据量子引力论,它们是轴单极子凝聚生成的弦,另一方面,它们实际上又是引力场的场线,所以它们代表的正是弦与场的对偶性。

由于只有抽象的一维,没有多余的(并且卷曲的)空间维,所以我们的M-理论很容易构造。超弦的M-理论中至关重要的也最难理解的就是强弱对偶性(S对偶),到目前为止,超弦物理学家们仍无法给出证明,而在我们的理论中,胶子与光子的对偶性实际上就是强弱对偶性。我们的理论还允许耦合常数大于1的情况,事实上,核子之间的耦合常数就大于1。
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 楼主| 发表于 2012-11-18 11:28:14 | 显示全部楼层

磁重联机制的提出

宇宙的可见物质中99.9%以上是由气体电离后形成的等离子体组成,并经常处在湍流状态。在湍流满足一定条件的地方,任何微弱磁场会由于发电机效应而不断放大直至饱和形成强磁场。由于等离子体的高导电性,磁力线“冻结”其中并随等离子体运动而在空间中扩展,不同方向(甚至反向)的磁力线不可避免地相遇。在真空中,当两块条形磁铁相互靠近时,磁力线会不断重组,如图1(a)所示;但在等离子体中,由于“冻结”效应的存在,反向平行的磁力线相互靠近时不会随意断开、重组,而在在分界面处不断累积,磁能持续增加,如图1(b)所示。这样,分界面处便产生强且垂直于纸面的电流集中在很薄的区域,通常称为电流片。也就是说,在天体等离子体中,电流片不可避免地会在很多地方产生,并伴随磁能的积累,而释放这些磁能的一种有效机制便是磁重联。
早在1946年,科学家便提出太阳耀斑是由于在磁零点(磁场为零的点,如X型磁场的中心点)附近加速的电子轰击太阳色球产生。之后,相似的模型被用来解释地球磁层亚暴。1953年,唐吉解析求解描述等离子体的磁流体力学方程组,发现X型磁场属不稳定结构,任何小扰动都能使它坍缩形成电流片。他首次提出磁流体的磁力线可以“断开并重新连接”。同年,柯林指出如果太阳耀斑是由电流的焦耳耗散加热,则电流须集中在几米厚的薄片内。
斯卫特在1956年的会议上指出,反向平行磁力线以准静态靠近时,为了维持水平方向力的平衡,电流片处气体压力将与左右两侧磁压力相当,如此大的压力将驱使物质沿着电流片上下两端分别向上下方向逃逸。太阳风理论的提出者帕克教授听了报告后凭着深厚的数学功底,很快建立起这个过程的基本框架,并创造了“磁力线重联”及“磁场并合”等概念。这一里程碑式的工作被后人称为磁重联的斯卫特-帕克机制。
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 楼主| 发表于 2012-11-18 11:29:34 | 显示全部楼层

磁场的演化

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图1 (a) 真空中反向平行的磁力线相互靠近时磁场的演化;(b) 等离子体中反向平行的磁力线相互靠近时磁场的演化。
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 楼主| 发表于 2012-11-18 11:30:50 | 显示全部楼层

斯卫特-帕克磁重联模型

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2 (a) 斯卫特-帕克磁重联模型,其中矩形所示的电流片很长;(b) 佩切克磁重联模型,其中矩形所示的电流片很短,粗线表示入流和出流之间的慢激波。
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 楼主| 发表于 2012-11-18 11:31:51 | 显示全部楼层

帕克重联和佩切克重联

斯卫特-帕克重联如图2(a)所示,磁流体左右相向流向电流片,磁力线在宏观尺度长的电流片中发生重联,之后沿着电流片上下抛出(称为出流)。根据伯努利原理很容易得到出流的速度为入流处的阿尔文速度(在日冕中为1000km/s的量级)。再根据磁通量、物质流量守恒便得到磁重联率R,其中磁重联率R定义为入流的速度与当地阿尔文速度之比,L为耀斑的尺度,η为电阻。由于日冕中磁雷诺数高达1万亿以上,这就导致该磁重联率极其低,以至于由此计算的耀斑磁重联的时标为几十甚至上百天。这比通常耀斑几十分钟的寿命长太多,故斯卫特-帕克重联被称为慢重联(事实上,弗斯等发现当电流片长度大于其宽度的2π倍时是不稳定的,电流片将被撕裂形成磁岛,因此,斯卫特-帕克模型中的长电流片不太可能稳定存在)。慢重联的缺陷于1964年被佩切克纠正,他提出磁重联电流片(磁场耗散区)的长度很小,且在入流与出流的交界处存在四个慢激波,磁能的转换主要是通过慢激波实现,而不是耗散区。由此他导出磁重联率R与磁雷诺数的关系。此公式显示重联率随磁雷诺数的增大而缓慢减小。对日冕而言,佩切克模型预言重联率约在0.1~0.01左右,与太阳耀斑的观测非常接近,故佩切克重联被称为快速重联。
普瑞斯特和福布斯解析得到了磁重联的一族解,上述两个模型均为其特解,其中入流区边界自由时对应佩切克重联。另外,反向平行的磁力线发生重联时称为完全磁重联,非180°夹角的磁力线重联时称为分量磁重联。
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