剪切流影響磁重聯(lián)過程的幾個現(xiàn)象研究.pdf

1、磁場重聯(lián)是等離子體物理研究的基本現(xiàn)象之一，它是許多重要空間物理現(xiàn)象和磁約束核聚變問題的重要理論基礎(chǔ)。通過磁重聯(lián)，磁場的幾何拓?fù)浒l(fā)生了改變，并伴隨磁場能量向粒子能量的轉(zhuǎn)換，形成高速的等離子體束流噴射。自從磁重聯(lián)理論提出以來，已經(jīng)得到很多學(xué)者的不斷完善。但是因為所討論問題的復(fù)雜性，以及空間和實驗室里目前的觀測手段都十分有限，所以對某些很重要問題的理解還存在不少爭議。由于能量原理很難處理穩(wěn)態(tài)平衡剪切流存在時的不穩(wěn)定性問題，因此大多數(shù)磁重聯(lián)理論

2、模型仍限于從靜態(tài)平衡的初始條件出發(fā)。然而剪切流在磁場重聯(lián)的過程中又是非常重要的，比如聚變裝置中的穩(wěn)定撕裂模和壓制磁島生長等過程。 數(shù)值模擬作為理論與實驗觀測之間的橋梁，對于解釋復(fù)雜的非線性物理過程是一種非常行之有效的辦法。本論文從磁流體動力學(xué)(MHD)模型出發(fā)，采用數(shù)值模擬的方法對磁場重聯(lián)問題展開討論。著重模擬了環(huán)向剪切流、極向剪切流對磁重聯(lián)的影響，同時霍爾(Hall)效應(yīng)和導(dǎo)向場也作為重要的因素被考慮其中，并得出了一些有意義的

3、結(jié)論，尤其進(jìn)行了不同情況下的Hall四極場的可觀測性分析。 本論文由以下6部分組成。 第一章，介紹了磁重聯(lián)的背景。包括問題的提出、來源、學(xué)科發(fā)展史以及目前國內(nèi)外的研究概況。并從空間探測與實驗室托克馬克(Tokamak)裝置兩個方面簡要闡述了磁重聯(lián)研究的應(yīng)用前景，面臨的挑戰(zhàn)以及亟待解決的問題。 第二章，主要介紹了本文在磁重聯(lián)研究中使用的數(shù)值處理方法，著重介紹了MHD的模擬過程以及對模擬結(jié)果的解釋與診斷。 在

4、磁層和行星際等離子體中經(jīng)?？梢杂^測到垂直于反平行磁場重聯(lián)平面的剪切流。第三章，我們采用電阻MHD模型模擬了受迫磁重聯(lián)電流片的非線性演化，討論了這種垂直磁重聯(lián)平面的剪切流對磁重聯(lián)的影響。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)在不考慮Hall效應(yīng)時這種剪切流可以產(chǎn)生雙極或者四極結(jié)構(gòu)的垂直平面磁場分布。這種四極結(jié)構(gòu)與典型的Hall-MHD重聯(lián)中平面內(nèi)電子回流過程產(chǎn)生的四極結(jié)構(gòu)極其相似。這個結(jié)果將對以往的對于空間等離子體的快速磁重聯(lián)現(xiàn)象的衛(wèi)星觀測判據(jù)提出新的挑戰(zhàn)和思路。

5、 基于第三章的結(jié)論，為了更好的弄清楚重聯(lián)過程中的這種剪切流效應(yīng)，在第四章中，我們采用Hall-MHD模型研究了Hall效應(yīng)與剪切流效應(yīng)共同存在時的重聯(lián)過程。通過模擬發(fā)現(xiàn)垂直平面的四極磁場分量可以由兩種效應(yīng)共同產(chǎn)生，并且能夠互相疊加產(chǎn)生出新的磁場分布。 在第五章中討論了一些與第三章和第四章相關(guān)的問題。 (1)研究了導(dǎo)向場的空間分布效應(yīng)。在這一部分定義了兩個作為比較的無量綱參數(shù)：導(dǎo)向場強度參數(shù)α和導(dǎo)向場剪切長度參數(shù)X

6、。通過模擬發(fā)現(xiàn)重聯(lián)過程隨著導(dǎo)向場的增強以及X的增加而減慢。 (2)首先采用和可壓縮Hall-MHD模型討論了無力場近似下撕裂模不穩(wěn)定性的非線性演化，并與Bian和Vektein近期的線性理論結(jié)果進(jìn)行了比較。 (3)研究了不同導(dǎo)向場分布下所能產(chǎn)生的四極結(jié)構(gòu)分量。并討論了衛(wèi)星觀測中，對于(2)和(3)情況下實際四極場的可觀測性研究。 第六章，討論了極向剪切流驅(qū)動Alfvén共振的問題及其應(yīng)用。日冕加熱問題近幾十年一直