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《中国科学技术大学》 2011年
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无碰撞多重X线磁场重联的Hall MHD模拟研究

刘朝旭  
【摘要】:磁场重联是磁能转化为等离子体动能和热能的有效机制,也是日地能量耦合系统中的基本过程。研究表明广义欧姆定律中的非电阻项对于磁场重联动力学具有重要影响。最近,卫星观测提供了多重X线无碰撞重联的证据。本文应用由多步隐格式发展形成的HallMHD格式,对无碰撞多重X线重联作数值研究。现分章介绍如下: 第三章研究多重X线HallMHD重联中的等离子体团型结构。在波形入流驱动下,多重X线重联在长电流片中发生,等离子体团在两个相邻的重联X线间形成。我们使用HallMHD格式研究存在和缺少初始引导场B_(y0)的情况下,等离子体团型结构的行为特征(B_(y0)用B_0归一化, B_0是模拟域顶底边界B_x分量的初值)。在算例1中,平面外磁场B_y分量的剖面图是双极信号或双极波形信号。这样的B_y信号是由Hall效应产生并与外部机制无关,它与地球磁尾闭合环型等离子体团的观测特征相符合。一个小的B_(y0)存在时(B_(y0) =0.1), B_y双极波形信号具有非对称性;而当B_(y0)达到或超过0.3时,B_y剖面图变成正信号。在B_(y0) =0.5的算例中,由Hall效应产生的增强B_y区在等离子体团内出现,随着重联进行, B_y剖面图中的隆起逐渐演变成一个B_y峰值信号,这个峰值信号的最大值B_(y|max)迅速增大并接近瓣区磁场强度。在等离子体团中心区域B_y分量这样的显著增强,可以是观测发现的磁通量绳中强核心场的表征。上述研究表明:(1)Hall效应和预先存在的越尾B_y分量是控制磁尾不同等离子体团型结构发生的重要因素。(2)在后一阶段, Hall效应和由等离子体入流携带的B_y通量之间的非线性相互作用,对于核心B_y场的增长作出了最重要贡献。 第四章给出包含磁扩散区和运动等离子体团的无碰撞多重X线重联的HallMHD模拟。算例1(B_(y0) = 0)展示了围绕驻立X线的磁扩散区中, Hall电磁场的观测特征和磁分界线附近电子束流的反转。在算例1中,当尾向运动等离子体团通过给定点时,由Hall电流产生的双极B_y波形信号和Hall电场信号与Geotail卫星和Cluster卫星的观测基本相符。为了研究X线地向侧的重联位形,对具有小引导场的算例2(B_(y0) = 0.15)作模拟。在算例2中,地向运动等离子体团经过给定点期间,在电流片下方接近中性片的给定点,观测到与双极(-/+)B_z信号相对应的正B_y峰值信号;而在电流片上方的给定点负B_y值被记录。这样的正负B_y信号类似于Cluster3和其他Cluster卫星的观测,它们起因于算例2中与Hall效应相关的非对称多层B_y结构。Cluster3探测到的电场增强和变化,可能与X线地向运动产生的电场?V×B有关。 第五章数值研究初始引导场B_(y0)对重联动力学的影响。一个均匀的平面外磁场B_(y0)分量附加到等离子体β=0.5, L_c =0.5d_i平衡Harris电流片上(其中, L_c是平衡态电流片的半宽度, d_i是离子惯性长)。应用2.5维HallMHD格式,研究在持续边界入流驱动下,引导场B_(y0)/B_0范围在0?4.0的磁场重联。引导场的存在导致重联特征的显著变化。当一个非零B_(y0)附加时,磁分界线的张角稍稍减小;原来反对称四极B_y结构和对称分布的等离子体压强P,分别变成非对称的四翼B_y结构和非对称的压强P分布。X线附近的电子与离子的解耦也发生在具有有限引导场B_(y0)的算例中,但是初始引导场B_(y0)对电子流的影响要比对离子流大。当B_(y0)/B_0从0增加到4.0时, X线处的重联率从0.151下降到0.06,即(?)A/(?)t降低了2.5倍。重联率的下降可能与随着B_(y0)的增加重联层减小的张角有关。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:P353

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