引力场中磁场重联的数值研究(IV)多层电流片

应用数值方法研究了日冕多层电流片中电阻撕裂模不稳定性的非线性演化和磁场重联过程,结果表明,计算区域顶部附近两侧电流片中的磁岛和等离子体团向上抛射,并携出大量的磁能和热能;中心电流片中的磁岛向下运动,逐渐演变成底部含有３个磁闭合区的冕流结构。进而在中心电流片中再次发生磁场重联,多次形成向下运动的小型磁岛,并与底部磁闭合区发生结合不稳定性。同时在磁闭合区中也有磁场重联发生,导致中心小磁闭合区的湮灭。初始电流片之间的距离趋近,上述演化过程越快。日冕多层电流片中的磁场重联过程可能对日冕物质抛射和日冕加热有着重要影响。     

引力场中磁场重联的数值研究（IV）多层电流片

应用数值方法研究了日冕多层电流片中电阻撕裂模不稳定性的非线性演化和磁场重联过程,结果表明,计算区域顶部附近两侧电流片中的磁岛和等离子体团向上抛射,并携出大量的磁能和热能;中心电流片中的磁岛向下运动,逐渐演变成底部含有３个磁闭合区的冕流结构。进而在中心电流片中再次发生磁场重联,多次形成向下运动的小型磁岛,并与底部磁闭合区发生结合不稳定性。同时在磁闭合区中也有磁场重联发生,导致中心小磁闭合区的湮灭。初始电流片之间的距离趋近,上述演化过程越快。日冕多层电流片中的磁场重联过程可能对日冕物质抛射和日冕加热有着重要影响。     

磁层顶磁岛结构及其非线性行为

解析研究了磁层顶磁岛结构时间演化的非线性过程；推导出磁岛宽度的解析式和磁岛发生分叉、混沌的条件；论证了磁重联生成的磁岛有不稳定平衡结构，外扰作用会破坏该结构，使磁岛出现突变和混沌；说明了中小尺度太阳风脉动易使磁岛破碎，导致磁场湍动重联，形成小尺度结构．     

引力场中磁场重联的数值研究──（Ⅰ）磁岛的形成和合并

数值研究了引力场中电阻撕裂模不稳定性所引起的磁场重联，结果表明，在电流片长度Ｌ＝１Ｈ、半宽度δ＝Ｈ／２４的情况下，电流片两端附近将出现两个Ｘ线的磁场重联，并形成磁岛和高温高密度的等离子体团．磁岛宽度随着时间而增长，在ｔ≈５５τＡ时达到饱和，最大饱和岛宽约为４δ．同时从ｔ≈３７τＡ开始，磁岛中心位置逐渐下降；在ｔ＝５７τＡ时发生结合不稳定性，磁岛与底部附近的闭合磁场区合并，导致磁场湮灭和磁能的快速释放．另一方面，由于引力场和等离子体非均匀性的影响，顶部附近随时间而增长的等离子体外流速度达１．１４ＶＡ∞；磁岛中等离子体向下运动的最大速度达１．４１ＶＡ∞，且大于局地声速；在磁岛前方可形成快激波．这些结果可用于解释双带耀斑中后随耀斑环的形成、磁场湮灭和磁能释放、以及Ｄｏｐｐｌｅｒ速度图上观测到的红移现象．     

引力场中磁场重联的数值研究（Ⅲ）等离子体团的形成和运动

应用解析和数值相结合的方法求得了含有闭场区、中性片和开场区的二维局域磁静力平衡日冕基态，进而在此基态下数值研究了由电阻撕裂模不稳定性引起的磁场重联过程．结果表明，在电流片长度远大于其半宽度的情况下，仍将发生具有两个Ｘ线的磁场重联，形成磁岛和高温高密度的等离子体团．等离子体团运动的方向取决于闭合区底部等离子体压力和磁压的比值β０．当β０较大时，等离子体团向下运动，引起结合不稳定性和磁岛的合并，等离子体团中的等离子体不断落入闭合磁场区两侧．当β０较小时，等离子体团向上运动，导致电流片中等离子体的喷发．结果还表明，磁张力的分布是决定等离子体团运动方向的主要因子．     

引力场中磁场重联的数值研究（Ⅲ）等离子体团的形成和运动

应用解析和数值相结合的方法求得了含有闭场区、中性片和开场区的二维局域磁静力平衡日冕基态，进而在此基态下数值研究了由电阻撕裂模不稳定性引起的磁场重联过程．结果表明，在电流片长度远大于其半宽度的情况下，仍将发生具有两个Ｘ线的磁场重联，形成磁岛和高温高密度的等离子体团．等离子体团运动的方向取决于闭合区底部等离子体压力和磁压的比值β_０．当β_０较大时，等离子体团向下运动，引起结合不稳定性和磁岛的合并，等离子体团中的等离子体不断落入闭合磁场区两侧．当β_０较小时，等离子体团向上运动，导致电流片中等离子体的喷发．结果还表明，磁张力的分布是决定等离子体团运动方向的主要因子．     

引力场中磁场重联的数值研究──（Ⅰ）磁岛的形成和合并

数值研究了引力场中电阻撕裂模不稳定性所引起的磁场重联，结果表明，在电流片长度Ｌ＝１Ｈ、半宽度δ＝Ｈ／２４的情况下，电流片两端附近将出现两个Ｘ线的磁场重联，并形成磁岛和高温高密度的等离子体团．磁岛宽度随着时间而增长，在ｔ≈５５τ_Ａ时达到饱和，最大饱和岛宽约为４δ．同时从ｔ≈３７τ_Ａ开始，磁岛中心位置逐渐下降；在ｔ＝５７τ_Ａ时发生结合不稳定性，磁岛与底部附近的闭合磁场区合并，导致磁场湮灭和磁能的快速释放．另一方面，由于引力场和等离子体非均匀性的影响，顶部附近随时间而增长的等离子体外流速度达１．１４Ｖ_Ａ∞；磁岛中等离子体向下运动的最大速度达１．４１Ｖ_Ａ∞，且大于局地声速；在磁岛前方可形成快激波．这些结果可用于解释双带耀斑中后随耀斑环的形成、磁场湮灭和磁能释放、以及Ｄｏｐｐｌｅｒ速度图上观测到的红移现象．     

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．     

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．     

地球远磁尾中的磁场重联(Ⅰ)流动撕裂模不稳定性

本文数值研究了地球远磁尾中流动撕裂模不稳定性所引起的磁场重联过程.结果表明,在短暂的指数增长之后,当磁岛宽度接近等离子体片厚度时,流动撕裂模不稳定性的增长率大大降低,最终磁岛宽度趋于饱和.磁岛的饱和宽度随着磁Reynolds数S的增大而减小,随着剪切流动层宽度δV的增大而增加.在S→∞的情况下,流动撕裂模将退化为流动颈缩模,磁场重联不再发生.当飞船通过由流动撕裂模不稳定性所形成的磁岛时,即可观测到磁场B_z分量由北转南或由南转北的现象.     

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。     

各向异性等离子体中撕裂模不稳定性和磁场重联的数值研究

应用二维三分量时变可压缩磁流体动力学模拟方法,数值研究了各向异性等离子体(P_⊥≠P_∥,T_⊥≠T_∥)中的撕裂模不稳定性和磁场重联过程.计算结果表明,在短暂的线性增长之后,不稳定性将趋于非线性饱和.线性增长率随着各向异性程度|P_⊥/P_∥|增强而增大,随着等离子体β值减小及磁场y分量By增大而降低.在强垂直各向异性(P_⊥>P_∥)的情况下,电流片中磁场重联形成的磁岛达到非线性饱和后,在X型点附近形成空腔结构;随着空腔的增大,磁岛逐渐变小,并最终消失.在P_⊥>P_∥情况下,仅在电流片中心区域可以激发火蛇管不稳定性,电流片中不能形成大型磁岛.     

地球远磁尾中的磁场重联——（Ⅱ）局部驱动力的影响

基于可压缩磁流体动力学模型,数值研究了由太阳风引起的局部驱动力对地球远磁尾中磁场重联的影响.结果表明,在远磁尾等离子体片中将发生强迫磁场重联,并形成磁岛和等离子体团.形成磁岛的特征时间很大于流动撕裂模不稳定性引起磁岛非线性饱和的特征时间.磁岛宽度随着磁Reynolds数S的增大而减小,随着尾瓣中等离子体压力与磁压之比值β_∞的降低而减小.认为太阳风引起的局部驱动力对地球远磁尾等离子体片中磁场重联的影响,可能不如流动撕裂模不稳定性那样显著.     

模拟IMF北向且By分量占主导时磁层顶重联

本文基于自己开发的全球三维磁层模型, 模拟研究了IMF(Interplanetary Magnetic Field)北向并且B_y分量较大(时钟角为60°)时磁层顶三维结构及其重联图像. 结果发现, IMF B_y为正时, 在北极隙区附近尾-昏侧存在IMF与地磁场之间稳定持续的重联现象;参与重联的地球磁场既有闭合磁力线也有开放磁力线;IMF在北极隙区与地球闭合磁力重联后一端与南磁极相连的磁力线在尾向运动时还可能与北尾瓣的开放磁力线重联而重新闭合, 这种重联与磁力线循环过程不同于同一条IMF磁力线分别在南北半球与地磁场重联的模型. 南极隙区的重联发生在尾-晨侧, 其动力学过程与北极隙区情形类似. 我们的模拟结果表明, IMF B_y较大时不可能发生IMF同一条磁力线分别在南北极隙区重联的情形, 也不会因此而减少尾瓣的开放磁力线.