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剪切流剖面影响磁场重联的混合模拟研究

石文静  
【摘要】:磁场重联在空间和实验室等离子体研究过程中扮演着重要角色。它是许多重要空间物理现象和磁约束核聚变问题的重要物理过程。磁场重联伴随着磁场的拓扑结构发生变化,将磁场能量转化为等离子体的内能和动能,并且形成高速喷射的等离子体流。磁场重联理论自提出以来一直处于不断完善的过程中,这是由于问题的复杂性以及空间和实验室观测手段的局限性,所以对有些重要物理问题的解释还存在着很多的争议。由于能量原理的方法很难处理稳态平衡位形下剪切流存在时的不稳定性问题,因此大多数学者对磁场重联研究仍限于静态平衡以及初值问题的解决。 在复杂的空间环境中剪切流是普遍存在的,并且剪切流会严重的影响磁场重联过程。所以,本论文采用二维三分量的混合模拟方法,研究了极向(重联之后粒子的出流方向)剪切流对空间等离子体重联平面内矩形区域中无碰撞磁场重联的影响。研究结果表明,磁场重联使得模拟区域的磁场拓扑结构发生明显改变,使磁力线变得高度弯曲;在出流区,磁场减小,等离子体密度、流速、热压强增加。在电流片中X点附近,由于离子和电子的动理学行为不同而产生了霍尔电流,它使得垂直重联平面的磁场分量呈四极结构分布。在重联区内引入极向剪切流后,增强剪切流的流速或降低剪切流剪切层宽度,会明显减小磁场重联过程中饱和磁岛的宽度。通过观察磁场重联率随时间的变化,可以发现增强剪切流会推迟并且降低最大磁场重联率,这说明该种剪切流对快速磁场重联的爆发有明显的抑制作用。另外,我们发现剪切流可以显著地改变垂直于重联平面磁场的四极结构,这会影响人们对快速磁场重联的观测和判断。


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