垂直磁重聯(lián)平面的剪切流對磁重聯(lián)影響的二維混合模擬研究.pdf

1、磁重聯(lián)是地球磁層空間等離子體的基本物理過程，許多爆發(fā)現(xiàn)象，如磁暴、極光、地磁亞暴，通量轉(zhuǎn)換事件等都被認為與磁重聯(lián)過程相關(guān)。在空間等離子體中，大尺度等離子體對流現(xiàn)象經(jīng)常被觀測到。太陽的各種活動，如太陽耀斑，日珥，日冕物質(zhì)拋射等，都會產(chǎn)生強烈的等離子體流動。這種流動常常具有很強的隨機性，當(dāng)太陽風(fēng)撞擊地球磁層時會產(chǎn)生經(jīng)過磁層頂?shù)乃俣燃羟?。速度剪切的幅度和方向因其在磁層頂?shù)奈恢玫牟煌煌?，不論是在地球高緯區(qū)磁層和翼區(qū)磁層，還是在地球磁尾都存在

2、著剪切流。在對磁層中的磁重聯(lián)事件的觀測和理論研究中，人們發(fā)現(xiàn)了大量的二級磁島現(xiàn)象，其產(chǎn)生的物理機制還不清楚。對剪切流影響磁重聯(lián)過程的問題研究中，有人指出，垂直磁重聯(lián)平面的剪切流誘發(fā)的二級磁島與通量轉(zhuǎn)換事件具有相關(guān)性。因此垂直磁重聯(lián)平面的剪切流對磁重聯(lián)的影響成為本文關(guān)注的焦點。
　　本文采用考慮離子動力學(xué)效應(yīng)的二維混合模擬方法，研究了垂直磁重聯(lián)平面的剪切流對對稱磁重聯(lián)和非對稱磁重聯(lián)的影響。考慮到磁層空間的等離子體環(huán)境的復(fù)雜性和剪切流

3、的隨機性，四種不同剖面的剪切流被分別引入到對稱和非對稱磁重聯(lián)過程的初始平衡中。從磁通，垂直磁重聯(lián)平面的磁場By結(jié)構(gòu)、垂直磁重聯(lián)平面的渦量ωy結(jié)構(gòu)，磁重聯(lián)平面內(nèi)的離子流速度矢量的分布，等離子體密度分布，及磁能增長率和重聯(lián)率等方面與無剪切流條件下的磁重聯(lián)過程做比較，較為全面地反映剪切流的效應(yīng)，得到了一些有意義的結(jié)果。
　　第一章介紹了磁重聯(lián)的理論背景，磁層中的磁重聯(lián)及剪切流影響磁重聯(lián)過程的研究進展，二級磁島現(xiàn)象的研究現(xiàn)狀以及本文的研究

4、動機和思路。
　　第二章簡要介紹了等離子體數(shù)值研究方法。
　　第三章介紹本文采用的混合模擬方法，磁重聯(lián)模型以及數(shù)值算法。
　　第四章采用考慮了離子動力學(xué)效應(yīng)的二維混合模擬方法研究了垂直磁重聯(lián)平面的剪切流對對稱磁重聯(lián)的影響。研究發(fā)現(xiàn)沿電流片法向變化的對稱平衡流對對稱磁重聯(lián)影響不大，但反對稱平衡流將無剪切流條件下的霍爾四極場變成了雙極結(jié)構(gòu)，破壞了垂直磁重聯(lián)平面的渦量的對稱性，改變了重聯(lián)層的結(jié)構(gòu)，降低了重聯(lián)率。沿電流片切向變

5、化的對稱驅(qū)動流將單X點磁重聯(lián)中的X點變?yōu)镺點，并觸發(fā)“多X點重聯(lián)”。沿電流片切向變化的反對稱驅(qū)動流在出流區(qū)誘發(fā)了二級磁島，提高了重聯(lián)率。在對稱磁重聯(lián)過程中，垂直磁重聯(lián)平面的剪切流誘發(fā)的二級磁島有助于理解在磁尾觀測到的二級磁島的形成機制。
　　第五章采用二維混合模擬方法研究了垂直磁重聯(lián)平面的剪切流對對稱磁重聯(lián)的影響。研究表明由于對稱剪切流在X點處流的剪切很微弱，所以對非對稱磁重聯(lián)的影響并不顯著。但沿電流片法向變化的對稱剪切流產(chǎn)生了二

6、級磁島，重聯(lián)率因此略有增加，增幅～20％。反對稱剪切流的共同效應(yīng)是產(chǎn)生了二級磁島，重聯(lián)率顯著增加，達到大于0.08的水平。二級磁島在被稱為通量轉(zhuǎn)換事件的日下點磁層頂重聯(lián)過程中經(jīng)常被發(fā)現(xiàn)。將該結(jié)果應(yīng)用到穿越日下點磁層頂?shù)男l(wèi)星觀測中可得到這樣的結(jié)論:垂直磁重聯(lián)平面的剪切流是通量轉(zhuǎn)換事件發(fā)生的主要原因之一。在通量轉(zhuǎn)換事件中如果X點附近的流剪切較弱，重聯(lián)率約為～0.01-0.03,若X點附近流剪切較強，則重聯(lián)率要大于0.08。在非對稱性和剪切流