無碰撞磁場重聯(lián)的粒子模擬研究.pdf

1、在許多快速，宏觀的等離子體物理過程當(dāng)中，磁場重聯(lián)都扮演著關(guān)鍵性的角色。因此對磁場重聯(lián)的深入研究是非常必要的。 數(shù)值模擬是一種基于計算機技術(shù)的研究物理過程的方法，而粒子模擬又是其中最直觀的一種，它是以牛頓定律和麥克斯韋方程組為基礎(chǔ)，通過統(tǒng)計的方法計算模擬空間的電磁場，然后將場作用于粒子之上，推動并加速粒子。經(jīng)過多次循環(huán)從而完成整個系統(tǒng)的演化。我們通過使用空間二維粒子模擬模型對無碰撞磁場重聯(lián)進行了研究，得到了一些有意思的結(jié)果。

2、 對周期性邊界條件下磁場重聯(lián)的研究發(fā)現(xiàn)，在初始電流片對稱的情況下：(1)電子沿分離面流出重聯(lián)區(qū)，且關(guān)于電流片對稱；(2)在分離面附近的垂直電場E<,z>的值很小，其空間尺度遠大于局域的電子的德拜長度；(3)空間導(dǎo)向磁場B<,y>呈現(xiàn)明顯的4極結(jié)構(gòu)。在初始垂直電流片方向存在溫度梯度，即電流片為非對稱的情況下：(1)在高溫低密度一側(cè)(磁層側(cè))，電子沿分離面快速流出重聯(lián)區(qū)，形成一個很強的Jet；而在低溫高密度的一側(cè)(磁鞘側(cè))沒有出現(xiàn)這種Je

3、t；(2)在磁層側(cè)分離面附近出現(xiàn)一個很強的正的垂直電場E<,z>結(jié)構(gòu)，其空間尺度很窄，與局域的電子德拜長度同一量級。在電流片兩側(cè)溫度比為T<,as>/T<,am>=0.2的情況下，該垂直電場的半高寬度約為局域電子德拜長度的三倍，在磁鞘側(cè)沒有觀察到這種結(jié)構(gòu)；(3)導(dǎo)向磁場B<,y>呈現(xiàn)雙極結(jié)構(gòu)且主要分布在磁鞘側(cè)。這些垂直電場和導(dǎo)向磁場結(jié)構(gòu)在2004年一月極軌衛(wèi)星(Polar satellite)穿越磁層頂過程中被觀測到。 在周期性

4、邊界條件的粒子模擬模型的基礎(chǔ)上，我們開發(fā)了邊界完全開放的粒子模擬程序。對開放邊界條件下磁場重聯(lián)的研究發(fā)現(xiàn)：(1)對入流區(qū)磁場使用0梯度(ZG)邊界條件，等離子體和磁場不能有效進入系統(tǒng)，重聯(lián)率會持續(xù)下降。如果使用電磁波(EM)和磁聲波(MS)作為邊界條件，系統(tǒng)均能夠達到一個準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，EM邊界條件下的穩(wěn)態(tài)重聯(lián)率E<,r>≈0.08要低于MS邊界條件下的E<,r>≈0.13：(2)在初始電流片半厚度給定為一個離子的趨膚深度的情況下，重聯(lián)率的峰值