地球磁尾中重联产生的磁流通管的运动

本文通过MHD理论研究了细磁流通管在二维静止平衡介质中的运动.用地球磁尾中的一维细丝来表示流通管,通过数值模拟可以得到细丝随时间变化的一些性质.重联产生的细丝磁场比周围磁场偶极性更强,运动时表现出了很强的地向流.结果还显示了阿尔芬波、慢激波等MHD波从磁层的赤道面传播到地球电离层上并部分地反射回来.细丝在电离层上的足点的赤道向运动滞后于赤道面上的地向运动.虽然在模拟中细丝的初始等离子体压强低于周围压强,但是当它开始迅速向地球方向运动时,它的等离子体压强很快上升到与周围压强相当,甚至有时候大于周围压强的值.     

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．     

磁层亚暴扩展相的数值模拟

本文用多步隐格式方法,求解包含电阻的磁流体力学方程组,对磁层亚暴扩展相作数值模拟.计算结果展现了亚暴扩展相期间磁尾变化的主要特征.它表明,球向和尾向等离子体流与准稳态重联有关.等离子体团的尾向喷发,致使中性线尾侧电流片内的密度降低,等离子体片变薄.中性线近地侧的等离子体团朝着地球运动,并合并于地球附近的重联区内.     

木卫二尾迹的数值模拟

木卫二在木星磁层中运动,与快速共转的木星磁场相互作用形成木星极光中木卫二的尾迹,此尾迹反映了连续扰动的磁通量管对木星电离层电流注入的过程.本文应用细丝理论对此过程进行数值模拟,未扰动的上游磁通量管经过大约720 s的时间与木卫二作用形成角度约为4°且相对于木卫二静止的拉伸磁通量管,随后在磁张力的作用下加速运动.在随后大约2160 s的加速时间内,磁通量管的速度逐渐与背景磁力线接近,向木星电离层注入的电流也由9×10⁵A逐渐衰减至0.以1/e初始电流处认为是可观测的木卫二尾迹限度,则木卫二的尾迹仅大约有一至两个经度,这与哈勃望远镜观测到的木卫二尾迹大小大致相同.木卫二尾迹与木卫一尾迹相比,输送的能量约为2.3×10¹³J,仅有木卫一的1/10,导致尾迹长度远小于木卫一的尾迹长度.此外,模拟过程中发现木卫二下游的压力槽对磁通量管运动的影响很小,可以忽略.     

2001年3月2日磁通量传输事件特性的研究

2001年3月2日11:00 至11:15 UT 期间,Cluster Ⅱ在南半球极尖区晨侧附近磁鞘内探测到3个通量传输事件（简称FTEs）. 本文利用Cluster Ⅱ星簇4颗卫星观测到的磁场和等离子体资料研究了这些通量传输事件的磁场形态和粒子特征. 并利用它们探测到的空间磁场梯度资料由安培定律直接求出星簇所在区域的电流分布. 结果指出：（1）BY占优势的行星际磁场结构在磁层顶的重联可以在极尖区附近发生;（2）FTEs通量管形成初期内外总压差和磁箍缩应力不一定平衡,达到平衡有一发展过程;（3）FTEs通量管截面在L M平面内的线度约为1.89RE;（4）FTEs通量管中等离子体主要沿轴向场方向流动,整个通量管以慢于背景等离子体的速度沿磁层顶向南向尾运动;（5）FTEs通量管中不仅有轴向电流,也存在环向电流. 轴向电流基本沿轴向磁场方向流动. 轴向和环向电流在管内均呈体分布,因而轴向电流产生的环向磁场接近管心时不断减小到零,而环向电流生成的轴向场则不断增大到极值;（6）在通量管的磁鞘部分观测到磁层能量粒子流量的增强,这表明通量管通过磁层顶将磁鞘和磁层内部连通起来了.     

磁场重联耗散区内X线附近的强低混杂波的Geotail卫星观测研究

Geotail卫星于2003年5月15日在近地磁尾观测到磁场重联并穿越重联耗散区.卫星从尾向—南尾瓣一侧穿越磁场重联耗散区到地向—北尾瓣一侧的过程中,随着等离子体流反向,霍尔磁场(B_y) 被观测到.本文研究了该磁场重联耗散区内的低混杂波.观测结果显示,在磁场重联耗散区核心及其附近区域观测到在低混杂频率附近存在强烈的等离子体波动的增强,其传播方向主要垂直于背景磁场,该等离子体波动为低混杂波.前人的模拟结果认为,当磁场重联得到充分发展之前,低混杂波将消失.本文的观测结果充分说明,当磁场重联充分发展之后,在核心区域仍然存在增强的低混杂波,说明低混杂波贯穿磁场重联的整个发展过程.这种观测结果与计算机等离子体模拟的结果有所不同.本文的观测对低混杂波在磁场重联中的具体表现提供了新的观测证据并有可能修正前人的理论.     

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.     

地球磁层顶磁场重联的动力学过程

用三维可压缩MHD数值模拟研究了在磁场重联过程中电子压力梯度项的效应研究结果发现在较高等离子体β,较小离子惯性尺度条件下,广义欧姆定理中压力梯度项在重联过程的作用不可忽略.在磁重联过程中,压力梯度项虽然没有明显改变磁场拓扑结构和重联速度,但它使电子和离子速度明显增大.由于在离子惯性尺度下,离子和电子运动解耦,电子是电流的主要载流子,所以场向电流也增大,并导致核心磁场明显增大.考虑到场向电流是磁层电离层耦合的一个重要因素,所以电子压力梯度项的引入加强了行星际磁场南向期间磁层电离层的耦合.电子压力梯度项还在重联区激发了波动,该波动可向重联区外传播.     

密度非对称的二维无碰撞磁场重联

使用二维粒子模拟（PIC）的方法研究了在电流片两侧具有不同温度或密度情况下的无碰撞磁场重联过程.在初始等离子体密度非对称的情况下,发现重联区等离子体流场结构、电磁场结构以及重联过程与对称情况下的结果有明显不同.通过对电流片两侧温度比取不同的参数T_m/T_s=1,2,5进行模拟(其中T_m和T_s分别代表磁层侧和磁鞘侧的温度),结果分析发现,(1)在密度非对称系统中,出流区电子沿着分离面出现一个整体的从高密度区向低密度区的流动,并围绕磁岛形成一个电流环;(2)在高温低密度一侧,在重联过程中,分离面两侧将出现很强的电荷分离并产生一个基本垂直于分离面的强度较大的电场E_z,其幅度和空间尺度与温度梯度近似地成线性正比和反比关系.在初始电流片两侧温度之比取T_m/T_s=5的情况下,E_z的幅度将达到0.71,其空间尺度与局地电子惯性长度d_e同一量级,这一结果与观测相吻合;(3)重联率随着温度梯度增大而下降.     

驱动重联过程中等离子体团的聚合

本文对驱动重联过程作了二维可压缩磁流体动力学模拟．对于长的计算域（１：４），在持续入流的作用下形成了双重磁岛结构，这些磁岛在向外运动的过程中不断靠近，逐渐聚合成为一个大的等离子体团，并继续向外运动．这说明在地球磁层顶和磁尾所观测到的大尺度磁结构，很可能是在驱动重联过程中，由较小的等离子体团聚合后形成的．并初步揭示了在空间等离子体中，磁岛的聚合过程难以直接观测的动力学原因．     

非均匀动压冲击和停止后产生的瞬时重联过程

在非均匀动压冲击期间和冲击突然停止,可引起等离子体边界层的局部瞬时重联过程．本文用二维可压缩ＭＨＤ数值模拟方法研究了这两个过程．结果表明：当大尺度的均匀横向流从一侧边冲击边界层时,磁力线不弯曲,也不发生磁场重联,只是边界层被推着向下游运动;当局部的非均匀动压（特别是横向剪切流）冲击边界层时,被冲击的同向磁场区磁力线逐渐弯曲,在弯曲的反磁场区,出现磁岛,然后在电流片区发生磁场重联,且逐渐形成准稳态的“反Ｋ型”重联结构;当横向剪切流冲击停止后,边界层区变为非常不稳定的系统,产生多种流体涡旋和流型,并相应地产生多种类型的磁场重联结构,直到涡旋消失变为湍动状态时,磁场拓扑才逐渐恢复到未扰动状态。我们提出,外力作用的突然停止,可能是驱动重联的一种新机制,并对这种重联过程在磁层物理中可能的应用进行了讨论．     

Two-dimensional electric field measurements in the ionospheric footprint of a flux transfer event

Line-of-sight Doppler velocities from the SuperDARN CUTLASS HF radar pair have been combined to produce the first two-dimensional vector measurements of the convection pattern throughout the ionospheric footprint of a flux transfer event (a pulsed ionospheric flow, or PIF). Very stable and moderate interplanetary magnetic field conditions, along with a preceding prolonged period of northward interplanetary magnetic field, allow a detailed study of the spatial and the temporal evolution of the ionospheric response to magnetic reconnection. The flux tube footprint is tracked for half an hour across six hours of local time in the auroral zone, from magnetic local noon to dusk. The motion of the footprint of the newly reconnected flux tube is compared with the ionospheric convection velocity. Two primary intervals in the PIFs evolution have been determined. For the first half of its lifetime in the radar field of view the phase speed of the PIF is highly variable and the mean speed is nearly twice the ionospheric convection speed. For the final half of its lifetime the phase velocity becomes much less variable and slows down to the ionospheric convection velocity. The evolution of the flux tube in the magnetosphere has been studied using magnetic field, magnetopause and magnetosheath models. The data are consistent with an interval of azimuthally propagating magnetopause reconnection, in a manner consonant with a peeling of magnetic flux from the magnetopause, followed by an interval of anti-sunward convection of reconnected flux tubes.     

Kinematic reconnection at a magnetic null point: fan-aligned current

Magnetic reconnection at a three-dimensional null point is a natural extension of the familiar two-dimensional X-point reconnection. A model is set up here for reconnection at a null point with current directed parallel to the fan plane, by solving the kinematic, steady, resistive magnetohydrodynamic equations in its vicinity. The magnetic field is assumed to be steady, and a localised diffusion region surrounding the null point is also assumed, outside which the plasma is ideal. Particular attention is focussed on the way that the magnetic flux changes its connections as a result of the reconnection. The resultant plasma flow is found to cross the spine and fan of the null, and thus transfer magnetic flux between topologically distinct regions. Solutions are also found in which the flow crosses either the spine or fan only.     

涡旋诱发重联模型（Ⅱ）——通量传输事件理论和模拟

本文应用涡旋诱发重联理论研究了地球磁层顶区发生的瞬时局部重联现象.对向阳面磁顶区通量传输事件(FTEs)的形成、结构和运动进行了理论和模拟研究,并与卫星观测结果作了比较.结果表明,涡旋诱发重联可能是产生FTEs的重要机制.利用这一理论模型能解释FTEs的一些主要观测现象.此外,对背阳面磁顶区的局部重联从理论上作了分析,指出在背阳面磁顶区可能存在类似于向阳面磁顶区的通量传输事件.     

Kinematic reconnection at a magnetic null point: spine-aligned current

Magnetic reconnection at a three-dimensional null point is the natural extension of the familiar two-dimensional X-point reconnection. A model is set up here for reconnection at a spiral null point, by solving the kinematic, steady, resistive magnetohydrodynamic equations in its vicinity. A steady magnetic field is assumed, as well as the existence of a localised diffusion region surrounding the null point. Outside the diffusion region the plasma and magnetic field move ideally. Particular attention is focussed on the way that the magnetic flux changes its connections as a result of the reconnection. The resultant plasma flows are found to be rotational in nature, as is the change in connections of the magnetic field lines.     

引力场中磁场重联的数值研究（Ⅱ）磁力线足点的剪切运动

本文基于二维三分量可压缩磁流体动力学模拟，数值研究由于磁力线足点在光球层的剪切运动引起日冕电流片中的磁场重联过程。结果表明，磁力线足点的剪切运动作为引起强迫磁场重联的一种触发机制，将加速磁场重联的发展和磁岛的合并过程。结合不稳定性导致等离子体急剧加速，在β_∞＝０．１的情况下其加速度达到０．３４ν_Ａ∞／τＡ，等离子体的最大下落速度可达１．９０ν_Ａ∞，大于纯电阻撕裂模情况。还讨论了β_∞值对这种磁场重联过程的影响。β_∞值越小，磁场重联和磁岛合并过程发展得越快。