無碰撞多重X線磁場重聯(lián)的Hall MHD模擬研究.pdf

1、磁場重聯(lián)是磁能轉(zhuǎn)化為等離子體動能和熱能的有效機(jī)制，也是日地能量耦合系統(tǒng)中的基本過程。研究表明廣義歐姆定律中的非電阻項(xiàng)對于磁場重聯(lián)動力學(xué)具有重要影響。最近，衛(wèi)星觀測提供了多重X線無碰撞重聯(lián)的證據(jù)。本文應(yīng)用由多步隱格式發(fā)展形成的Hall MHD格式，對無碰撞多重X線重聯(lián)作數(shù)值研究。現(xiàn)分章介紹如下:第三章研究多重X線Hall MHD 重聯(lián)中的等離子體團(tuán)型結(jié)構(gòu)。在波形入流驅(qū)動下,多重X線重聯(lián)在長電流片中發(fā)生,等離子體團(tuán)在兩個(gè)相鄰的重聯(lián)X線間形成

2、。我們使用Hall MHD 格式研究存在和缺少初始引導(dǎo)場By0的情況下,等離子體團(tuán)型結(jié)構(gòu)的行為特征(By0 用B0歸一化，B0是模擬域頂?shù)走吔鏐x分量的初值)。在算例1中，平面外磁場By分量的剖面圖是雙極信號或雙極波形信號。這樣的By 信號是由Hall 效應(yīng)產(chǎn)生并與外部機(jī)制無關(guān)，它與地球磁尾閉合環(huán)型等離子體團(tuán)的觀測特征相符合。一個(gè)小的By0 存在時(shí)(By0=0.1)，By 雙極波形信號具有非對稱性；而當(dāng)By0 達(dá)到或超過0.3時(shí)，By

3、剖面圖變成正信號。在By0=0.5的算例中，由Hall效應(yīng)產(chǎn)生的增強(qiáng)By 區(qū)在等離子體團(tuán)內(nèi)出現(xiàn)，隨著重聯(lián)進(jìn)行，By 剖面圖中的隆起逐漸演變成一個(gè)By 峰值信號，這個(gè)峰值信號的最大值By|maX迅速增大并接近瓣區(qū)磁場強(qiáng)度。在等離子體團(tuán)中心區(qū)域By分量這樣的顯著增強(qiáng)，可以是觀測發(fā)現(xiàn)的磁通量繩中強(qiáng)核心場的表征。上述研究表明:(1)Hall效應(yīng)和預(yù)先存在的越尾By分量是控制磁尾不同等離子體團(tuán)型結(jié)構(gòu)發(fā)生的重要因素。(2)在后一階段，Hall效應(yīng)和

4、由等離子體入流攜帶的By 通量之間的非線性相互作用，對于核心By 場的增長作出了最重要貢獻(xiàn)。
　　 第四章給出包含磁擴(kuò)散區(qū)和運(yùn)動等離子體團(tuán)的無碰撞多重X線重聯(lián)的Hall MHD模擬。算例1(By0=0)展示了圍繞駐立X線的磁擴(kuò)散區(qū)中，Hall 電磁場的觀測特征和磁分界線附近電子束流的反轉(zhuǎn)。在算例1中，當(dāng)尾向運(yùn)動等離子體團(tuán)通過給定點(diǎn)時(shí)，由Hall 電流產(chǎn)生的雙極By波形信號和Hall 電場信號與Geotail 衛(wèi)星和Cluster

5、 衛(wèi)星的觀測基本相符。為了研究X線地向側(cè)的重聯(lián)位形，對具有小引導(dǎo)場的算例2(By0=0.15)作模擬。在算例2中，地向運(yùn)動等離子體團(tuán)經(jīng)過給定點(diǎn)期間，在電流片下方接近中性片的給定點(diǎn)，觀測到與雙極(?/+)Bz 信號相對應(yīng)的正By 峰值信號；而在電流片上方的給定點(diǎn)負(fù)By值被記錄。這樣的正負(fù)By 信號類似于Cluster 3和其他Cluster衛(wèi)星的觀測,它們起因于算例2中與Hall 效應(yīng)相關(guān)的非對稱多層By 結(jié)構(gòu)。Cluster 3 探測到

6、的電場增強(qiáng)和變化，可能與X線地向運(yùn)動產(chǎn)生的電場?V0×B有關(guān)。
　　 第五章數(shù)值研究初始引導(dǎo)場By0 對重聯(lián)動力學(xué)的影響。一個(gè)均勻的平面外磁場By0分量附加到等離子體 =0.5，Lc=0.5di 平衡Harris 電流片上(其中，Lc是平衡態(tài)電流片的半寬度，di是離子慣性長)。應(yīng)用2.5 維Hall MHD 格式，研究在持續(xù)邊界入流驅(qū)動下，引導(dǎo)場By0/B0 范圍在0 ? 4.0的磁場重聯(lián)。引導(dǎo)場的存在導(dǎo)致重聯(lián)特征的顯著變化。當(dāng)