地球空间磁重联过程与机制的初步模拟分析研究

论文摘要

磁场活动是宇宙中许多瞬间现象的基础例如太阳和恒星的耀斑、磁层亚爆和伽马射线爆发等。而引发这些过程的磁场能量可能是由磁重联释放的。因为磁重联的发生改变了磁场的拓扑结构并且将磁场能量转化等离子体能量。本文运用2.5D的PIC（particle-in-cell）方法分别对无导向场时的无碰撞磁重联和由导向场时的无碰撞磁重联做了模拟研究。我们主要对无导向场磁重联和有导向场磁重联的重联电场、重联磁场、电子电流、离子电流、电子速度和离子速度作了具体的分析得到了:在重联过程中会形成偶极化锋面结构。在偶极化锋面结构中,By沿X点对称,Bz呈现出四极结构分布其强度最大值为0.18B0,并且Bz的传播速度是超阿尔文速度的。在重联过程中电子电流密度和离子电流密度并不相同,电子电流在X点附近很小但在整个磁岛区域中都有分布,而离子电流主要在X点附近呈对称分布。在重联过程中电子电流密度大于离子电流密度。离子在X点和X分隔线附近密度很小,主要集中在磁岛中,但电子主要集中在磁岛外侧靠近X点附近的区域,并且在X点附近有宽度约为0.2di的电子密度增加区。离子的的出流区和入流区的范围都在离子惯性尺度内,而电子的出流和入流区主要集中在电子惯性尺度内,且电子出流速度是超阿尔文速度的而离子的出流速度比阿尔文速度略小。在有强导向场存在时,磁重联的重联率会随着导向场的增强而减小。在快速重联阶段,重联电场Ez主要是由运动项和电子压力张量的非对角项提供的。在有导向场存在时磁重联产生的Bz的四极分布和By的对称结构被破坏,Bz正方向的范围几乎占据了整个磁岛部分并且在X点区域有一个窄的条形分布,而Bz负方向在X点附近出现了断裂。不同于无导向场磁重联,有导向场Bz0=B0时电子密度和离子密度的分布是十分相似的。通过对粒子密度和粒子速度的分析我们知道当有导向场Bz0=B0存在时电子和离子主要是在X型分隔线附近被加速的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景和意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 磁冻结和磁扩散
•     1.2.2 撕裂模不稳定性
•     1.2.3 Kelvin-Helmholtz不稳定性
•     1.2.4 Sweet-Parker模型
•     1.2.5 Petscheck模型
•     1.2.6 反常电阻效应
•     1.2.7 Hall磁重联
•   1.3 磁重联的模拟方法
•     1.3.1 MHD模型
•     1.3.2 PIC模拟
•     1.3.3 Hybrid模拟
•   1.4 近地空间的磁重联
•   1.5 本文的主要研究内容
• 第2章 iPic3D程序原理
•   2.1 控制方程
•   2.2 Particle-in-Cell理论原理
•     2.2.1 Particle-in-Cell控制方程
•     2.2.2 数值不稳定性
•   2.3 隐性PIC
•     2.3.1 空间上的微分
•     2.3.2 粒子的隐性运动
•     2.3.3 稳定条件
•   2.4 iPIC3D中隐性PIC的应用
• 第3章 无导向场时的磁重联
•   3.1 模拟条件
•   3.2 模拟结果
•   3.3 本章小结
• 第4章 有导向场存在时的磁重联
•   4.1 模拟条件
•   4.2 模拟结果
•   4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 程昆

导师: 沈超

关键词: 磁重联,偶极化锋面,导向场,粒子速度

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 地球物理学

单位: 哈尔滨工业大学

分类号: P354

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.004640

总页数: 72

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