数值模拟火星古发电机湮灭前磁场特征

火星地壳磁场观测结果表明,该行星目前已经丧失了由其内部发电机作用产生的行星尺度的本征磁场,只在其表面残留不对称分布的剩余磁场.通过MoSST行星液核发电机动力学模式的前期模拟工作发现,在火星古发电机"死亡"之前,很可能处于亚临界发电机状态(此时维持发电机所需能量小于激发发电机所需能量).为了解火星发电机湮灭前的磁场特征,本文选取该亚临界发电机区间内,Rayleigh数(表征驱动发电机能量的无量纲参数)=2480时的火星表面磁场数据,采用自然经验正交函数对其分析,结果表明:在火星古发电机湮灭过程中的亚临界发电机状态下,火星表面磁场形态是非轴向偶极子占优的;并频繁出现磁极倒转和漂移现象,该过程中其磁偶极距随时间呈非单调形态的衰减.     

火星古发电机及超大型撞击事件

火星高强度的地壳剩余磁场表明火星演化早期存在过活跃的发电机作用,研究结果显示火星演化早期的超大型撞击事件很可能是导致火星发电机“死亡”的重要原因.本文分别对火星古发电机数值模拟,超大型撞击事件及其对发电机作用影响的研究进展进行归纳总结,并基于目前研究现状提出下一步研究方案,为揭示超大型撞击事件是否导致火星发电机湮灭提供有效信息.     

火星磁场和行星发电机理论

火星磁场是火星主要观测物理场之一,火星磁场研究对火星探索具有重要的科学意义.本文侧重介绍火星磁场探测所取得的主要成果,在介绍火星行星磁场起源的行星发电机理论的基础上,重点讨论了动力学机制、起始时间、停止的原因等关键性问题,并指出了研究中存在的一些问题.     

古代赤道极光揭示西太平洋磁异常演化

地球是一个多圈层耦合系统,从内部到表面、大气和空间的相互作用,共同塑造了地球的宜居环境. 偶极磁场的产生使地球环境逐渐演变为宜居,正如金星和火星偶极磁场的消失使这两颗行星的环境走向了另一个极端. 地球磁场起源于地核发电机过程,而地核热动力学和化学结构的变化则会导致地磁场的显著改变,导致地磁场的减弱甚至极性倒转,削弱对地...     

伽利略卫星磁异常起源的数值模拟

伽利略号任务探测到了起源于伽利略卫星的磁异常.这些磁异常很可能来自于卫星内部,并且受到强大的木星背景磁场的影响.观测磁异常可能来自各种不同的产生机制,这里通过数值模拟主要研究卫星内部磁对流和发电机行为.为了模拟卫星周围的电磁环境,在模型中引入了一个固定取向、空间均匀,但是强度可变的外磁场B0.模拟结果显示,强度足够大的B0可以显著的改变核内的发电机过程.当B0增加到原发电机磁场强度的40%时,核内对流的改变非常显著：整体对流强度减弱了80%,但是在大部分区域的差动旋转却增强了,这导致了核内总磁场的增加.磁场的形态趋向于同背景场一致,而流场则显示出背景场对原有对称性的抑制作用.此外,磁场在时间变化上也趋向于更加稳定.     

外核黏性对地磁场发电机数值模型的影响

地磁场发电机过程由数学方程组和输入参数所控制.为研究发电机参数对系统的影响,本文使用MoSST模型模拟了在外核黏性ν变化下发电机模型的输出.通过使用跨越近3个量级的ν值,着重研究了各物理场及其典型尺度随黏性的变化.发现黏性变化显著影响流场;磁场随ν增加而近乎单调减小,但变化幅度不超过30%;温度扰动随ν增加而小幅（6%）单调增加.经过拟合,得到外核流速u和黏性ν的比例关系：u~ν^0.49.流速随黏性增加的现象本质上是由于黏性增加打破了Taylor-Proudman约束,使得临界Rayleigh数减小,从而在相同的驱动力下带来了流速的增加.此外,作用力平衡分析发现,随着ν的变化,系统在几种平衡模式间切换.通过与之前比例关系的研究对比,本研究支持在一定范围内,磁场与黏性关系不大的结论;但反对流速与外核黏性无关的假设.     

祝融号火星表面磁场探测仪的沿轨标定

作为中国首次火星探测计划“天问一号”任务的一部分,祝融号火星车于2021年5月15日成功着陆火星表面,并开始在乌托邦平原南部进行科学探测.祝融号火星表面磁场探测仪(RoMAG)是火星车上六个有效载荷之一,它由两个相同的高灵敏度三轴磁通门磁强计组成,随火星车在火星表面进行移动磁测量.尽管在发射前已经进行了火星车磁补偿以消除磁干扰,但由于有效载荷和太阳能电池板等在发射前后的状态不同,需要对磁强计进行沿轨校准,以获得更精确的火星磁场.本文分别利用桅杆偏航旋转和火星车偏航旋转两种方法确定火星水平磁分量.结果表明,两种方法测得的火星水平磁场分量具有较好的一致性,均方根偏差小于2.0nT.火星背景磁场垂直分量则可根据干扰场呈现偶极场分布的假设来约束.磁场测量值与太阳能帆板电流之间的线性相关关系可用于常规探测中的磁场校准,可以得到更精确的火星表面背景磁场.     

磁通量浮现驱动磁场重联的数值研究

应用二维时变可压缩磁流体动力学数值模拟,研究了双极－单极磁场中由于磁通量浮现驱动的磁场重联过程．结果表明,双极场与单极场间磁力线的重联形成上升的冷而密的等离子体团,磁场演变成鞭状结构．向上运动的等离子体团到达其最大高度后将回落和弥散.等离子体团最大上升速度达０．１４ＶＡ,等离子体最大上升速度达０．２７ＶＡ,ＶＡ为下边界处的Ａｌｆｖｅｎ速度．随着磁通量浮现幅度的增大,等离子体上升速度增加,重联过程发展得较快．背景等离子体β１值（β１为等离子体压力与磁压之比）越小,等离子体团中密度增量越大．磁Ｌｕｎｄｑｕｉｓｔ数Ｓ在１０３－１０６之间的改变对等离子体的速度和密度增量影响并不明显．与电阻撕裂模不稳定性引起的自发重联相比,磁通量浮现会更有效地驱动双极－单极场中的磁场重联过程,寻致日冕Ｈα冲浪和Ｘ射线喷流的形成．     

火星感应磁场模型及其磁力线分布

本文利用火星具有电离层而无内禀磁场的特点以及它与太阳风相互作用的性质,通过适当的假设,建立了火星感应磁场模型.此模型建立如下,利用电流连续的特性: Δ·j=0 (j为感应电流)以及对火星磁层中的电流体系分布的合理假设给出电流,并由毕奥-萨伐尔定理得到火星周围的磁场强度的表达式;利用我们自编的磁力线跟踪程序由求得的磁场强度得到火星周围的磁力线分布.我们发现:利用此火星磁场模型得到的火星周围的磁力线分布与卫星观测的结果以及其他方法得到的结果符合的很好.     

基于MC-PML的二维Rayleigh波正演模拟及频散特征分析

Rayleigh波正演模拟是认识Rayleigh波传播规律的重要手段,也是Rayleigh波反演的基础.然而,在浅地表高泊松比地质体的Rayleigh波正演模拟中,应力镜像与二阶速度展开的自由表面处理方法配合传统的C-PML技术会产生严重的数值不稳定问题.为此,本文首先从弹性波动方程出发,基于应力镜像与二阶速度展开法,推导了自由边界条件下应力分量与速度分量的更新公式;然后再借助MC-PML边界条件处理模型左右两边和底部的人工截断边界,以确保自由边界与吸收边界耦合区域的计算稳定;最终采用GPU并行编程架构,实现了基于MC-PML的Rayleigh波正演模拟技术．通过四组典型模型试验及频散分析结果表明:应力镜像与二阶速度展开的自由表面处理方法结合MC-PML技术能够准确刻画Rayleigh波传播规律,MC-PML技术不受自由表面影响,未见数值不稳定,频散能量谱的峰值连线与理论频散曲线的高度一致性进一步证实本文Rayleigh波正演模拟所采用的关键处理技术是正确的．     

K-H不稳定性在多电流片系统磁场重联中的效应

等离子体系统中存在两个或多个电流片时，电流片中发生的不稳定性可能会相互作用．行星际磁场北向时，背阳面碰层顶电流片与磁尾等离子体片之间可能发生相互作用，高纬边界层强烈的流场剪切可能促进磁场重联，产生磁层亚暴．本文运用二维可压缩磁流体模拟研究具有强流场剪切的多个电流片系统中磁场重联的演化．结果表明，Kelvin－Helmholtz不稳定性使多电流片系统的磁场重联过程明显加快；相邻电流片之间的距离越近，两者相互作用越强，重联增长率越大；在三电流片系统中，超Alfven速度强流场导致外侧两个电流片中出现强烈的磁场重联，并引发中心电流片的磁场重联．行星际磁场北向时，也可能发生磁层亚暴．     

火星弓激波的基本特征与位形模型

由于火星没有内禀磁场,太阳风可以直接与火星大气和电离层相互作用,并在火星上游形成弓激波.?过去几十年,利用弗伯斯2号(Phobos?2)、火星环球探测者号(MGS)、火星大气与挥发物演化(MAVEN)等探测器对火星空间磁场和等离子体的探测,研究人员对火星弓激波的基本特征、影响火星弓激波位形的主要因素开展了大量研究和探索...     

行星际磁场By分量对地球磁层顶场向电流调制

采用三维可压缩MHD数值模拟研究了行星际磁场By分量的变化对磁层顶重联区场向电流大小和分布的影响. 行星际磁场通过模拟区x=-Lx处左边界条件By来影响重联过程，从而改变重联区的场向电流. 研究结果表明边界条件By的突然改变，能使重联区场向电流迅速增加，甚至达到增大一个量级的水平.By本身的存在(即不为零)也会使场向电流维持在一个较高的水平. 由于行星际磁场By分量不为零，而形成模拟区磁场By不对称分布，这种不对称分布是场向电流不对称分布产生的主要原因. 这些结果是与Orsted卫星最新观测结果和地 面观测结果相符合的，它表明行星际磁场By分量对地球空间场向电流有较大的调制作用.     

地震槽波的数学-物理模拟初探

针对地震槽波在低速层的传播特性,开展了煤层内地震槽波勘探的数值模拟和物理模拟研究的初探工作.在数值模拟研究方面,采用交错网格有限差分法对煤层中的地震槽波进行三分量全波场模拟.基于波场快照和人工合成地震记录研究了不同模型中的波场特征和各种波型的传播规律.在物理模拟方面,通过选用不同配比的环氧树脂和硅橡胶类材料构建地震槽波物理模型,利用透射法和反射法观测系统获得了清晰的地震槽波记录以研究槽波的地震学特征.研究表明,在煤层内槽波的地震波场中,Love型槽波的能量小于Rayleigh型槽波的SV分量,大于Rayleigh型槽波的SH分量.相对于Love型槽波和Rayleigh型槽波的SH分量,Rayleigh型槽波的SV分量在围岩中的泄露能量较强.在煤层界面附近的围岩中,地震波仍以槽波形式传播,随着距离的增加能量逐渐衰减.随着煤层变薄,煤层槽波主频向高频方向移动,频散现象增强,传播速度增大.     

二维电离层发电机理论模式及其初步应用

在地理坐标系下推导出二维电离层发电机理论方程,采用逐线迭代法求解得到全球二维电离层发电机电流函数,进而得到电离层发电机电流和电场.模式中使用的电导率是根据外部经验模式给出的背景大气和电离层参数,采用理论公式计算得出;输入的中性风场和磁场分别由HWM93和IGRF2000模型给出,该电离层发电机理论模式很好地给出了全球Sq电流形态及电离层E层发电机电场的基本特征.利用该模式研究了外部模式风场以及地磁场随高度的变化对模拟结果的影响,发现在90~180 km高度上,风场随高度变化对电流影响较大,而地磁场影响较小;重点模拟研究了地磁平静时期,Sq电流涡旋中心位置和总电流强度的变化规律,初步研究发现,电流中心位置在地理纬度±30°附近,不同的地方时电流随地磁纬度线平行移动,且南北半球两个电流涡中心电流强度之和变化不大.分析发现这种规律与发电机高度上的磁场总强度及地磁倾角的全球分布有很好的相关性.     

火星表面陨石坑的碎形特征

对2004年1月5日美国宇航局发布的火星轨道探测器拍摄的勇气号着陆点照片进行了研究,认为照片上的地形为陨石撞击火星表面留下的痕迹．详细计量了照片上陨石坑的数目和尺度．对陨石坑尺寸和数目之间的关系进行了研究．认为,火星陨石坑的分布具有碎形特征,并符合分形分布,分维数为1．7．和地球上其它岩石破碎相比,分维数较低．我们推测,撞击火星的陨石可能来源于同一块岩石的破碎。并且该岩石的破碎程度较低．其破碎过程应该和断层、断裂、节理以及风化等地质过程引起的破碎不同．     

Rayleigh波场的数值模拟及其应用

本文总结了Rayleigh波场数值模拟的4种思路和各自特点,根据Lamb问题的理论分析成果提出了基于地表激振的Rayleigh波场数值模拟技术,论述了地表集中震源作用下引起地表波动场的特点及主要影响因素。在此基础上,利用Plaxis 2D有限元软件实现了Rayleigh波场的数值模拟,并结合算例验证了所提方法的可行性和结果的合理性。最后,针对多层建筑结构,研究了不同地震动输入模式下结构动力反应的特点。结果表明,Rayleigh波作用下结构的动力反应特性明显区别于在底部输入剪切波时的结果,不同地震动输入模式对结构的振动形态和破坏模式有着明显的影响。     

多层电流片中撕裂模不稳定性的数值研究

应用二维磁流体动力学模拟方法数值研究了三层电流片中电阻撕裂模不稳定性的特征及磁场重联过程．结果表明，这是一种复杂的非稳态磁场重联．在初期阶段，三个电流片中分别由撕裂模不稳定性引起磁场重联，形成薄而长的磁岛．随着撕裂模不稳定性的非线性发展，每个磁岛的宽度都逐步增大，以至导致新的磁场重联发生．同时，三个电流片的强度都逐渐减弱，且原中心反向电流区最终消失．部分磁能不断地转化为等离子体的热能和动能，引起等离子体的加热和加速．多层电流片中撕裂模不稳定性引起的自发重联，可能对太阳耀斑、日冕加热、太阳风与磁层耦合等有重要影响．     

单轴加载条件下瑞利波偏振和不同震相波速对应力敏感性的实验研究

岩石应力状态的改变会使接收到的波形发生变化,这是利用弹性波检测介质性质和应力变化的基础.研究对应力敏感的弹性波参数及其分析方法对于发展介质应力监测技术具有重要意义.本文在实验室内以长方体花岗岩为样本,在不同的单轴压力下重复激发超声波且用三分量的传感器接收,利用记录的全波形信息研究了不同震相的到时、Rayleigh波偏振与岩石应力状态变化的关系.结果表明:①不同震相的波速对应力变化的敏感性为10-8/Pa数量级,且敏感程度从大到小依次为:Rayleigh波＞S波＞P波.②随着应力的增大,Rayleigh波偏振变强,但其敏感性随应力增大而变小,这反映出了介质性质的非线性变化特性.③应力较小时,Rayleigh波偏振对应力的敏感性比波速大数倍.     

圆弧状多层沉积谷地在Rayleigh波入射下动力响应的解析解

利用波函数的Fourier-Bessel级数展开法,推导出了含任意多个圆弧状沉积层的谷地在Rayleigh波入射下二维稳态动力响应的解析解,分析了该级数形式解析解随截断项数的收敛问题,讨论了在获取该解析解的过程中,用于计算Rayleigh波自由场的有限Fourier级数的项数和用于模拟水平地表的大圆弧的半径对解的影响.研究结果表明,该解析解能够在一个非常宽的频带内收敛.最后,利用该解析解,在一个较宽的频带范围内,讨论了谷地中沉积介质的成层性,包括沉积层的层数、软弱夹层的存在及其厚度等因素对地面运动的影响.