磁尾准稳态结构与动力学过程的研究

【摘要】：三维磁层MHD(Magnetohydrodynamics)模型对于日-地空间物理问题的研究和空间天气预测等都有非常重要的意义。我们基于理想磁流体力学方程,采用迎风格式差分和可变格点大小的数据结构,建立了一个三维磁层MHD模型,并实现了准稳态运行。 本模型一个突出的特点是地磁场和IMF(Interplanetary Magnetic Field)可分开处理,从而可用简单的方法控制磁层顶磁重联是否发生(不受数值耗散的影响)。这样,对某些磁层现象是否受磁层顶重联的影响及影响程度如何等问题,就提供了一种有效的研究手段。 采用此数值模型,我们对磁尾磁鞘区晨-昏不对称性、磁尾磁层顶重联图像、等离子片粒子注入与对流图像、磁尾大尺度拓扑结构、磁尾磁层顶附近粒子加速与超(太阳)风速流等问题进行了模拟研究,主要结果如下: 晨-昏侧不同的激波条件是导致晨-昏侧不对称性的主要原因,与磁层顶重联没有明显关联;在北向IMF时钟角较小时,磁层顶重联发生在磁尾10-12个地球半径处的晨昏侧,此时磁层顶重联导致粒子由磁鞘区向等离子片注入,并使中、近磁层的等离子片出现大尺度的四涡旋结构;在磁尾磁层顶重联引起磁鞘粒子向磁层注入和各向异性的IMF压力的共同作用下,磁尾和电流片表现出相对于磁赤道面的旋转特征及扁平化现象;在一定尾向距离内,磁鞘弯曲的IMF场线和磁尾磁层顶重联都会引起粒子尾向加速并出现超(太阳)风速流,粒子加速现象受IMF大小和时钟角的影响非常显著,IMF时钟角较大或IMF较小时加速作用明显减弱并且不容易出现超风速流。