涡旋诱发磁重联模型的解析研究

在磁流体中涡旋诱发重联的线性过程的解析研究过程中,主要运用了渐近匹配展开方法．结果表明,如果流体粘性远大于磁粘性,流场马赫数Ma～1,重联的线性增长率正比于Vv为无量纲化流体粘性,这与数值模拟结果一致．此结论表明,流体粘性能够促进磁场重联,在理论上支持涡旋诱发重联模式．本文还研究了周期分布多电流片系统中涡旋诱发重联的线性增长率;随电流片之间距离的减小,反对称和对称情形的增长率分别增大和减小．     

磁层顶的涡旋诱发重联和单X线重联

用二维MHD数值模拟研究了地球磁层顶的涡旋重联和单X线重联,并将两者作了比较。涡旋重联和单X线重联各在Alfvèn马赫数M_Λ大于和小于0.5时出现于向阳面磁层顶。前者所产生的磁岛与涡旋同心重叠;后者磁力线重联仅产生X点,而不闭合形成磁岛,涡旋分布于X点两侧。在涡旋重联的自组织过程中,互螺旋度等近似守恒决定其渐近态的拓扑结构。最后,讨论了这两种重联对通量传输事件所起的不同作用。     

磁层顶的涡旋诱发重联和单X线重联

用二维MHD数值模拟研究了地球磁层顶的涡旋重联和单X线重联,并将两者作了比较。涡旋重联和单X线重联各在Alfvèn马赫数M_Λ大于和小于0.5时出现于向阳面磁层顶。前者所产生的磁岛与涡旋同心重叠;后者磁力线重联仅产生X点,而不闭合形成磁岛,涡旋分布于X点两侧。在涡旋重联的自组织过程中,互螺旋度等近似守恒决定其渐近态的拓扑结构。最后,讨论了这两种重联对通量传输事件所起的不同作用。     

涡旋诱发重联模型（Ⅰ）——动力学特性

本文首先从理论上系统地研究了涡旋诱发重联的基本动力学特性.包括:涡旋诱发重联的物理机制;Kelvin—Helmholtz（K-H）不稳定性和撕裂模不稳定性耦合过程;磁流体涡管的基本特性;不同尺度涡旋间的相互作用,动能和磁能间的转化及准稳态时流线、磁力线、等涡度线和等电流密度线的相似性等.用二维MHD数值模拟方法研究了上述一些特性,并与理论分析结论进行了比较.结果表明,模拟结果证实了理论推论.涡旋诱发重联是产生局部磁场重联的重要机制之一,该模型在磁顶区的应用将另文发表.     

涡旋诱发重联模型(Ⅰ)——动力学特性

本文首先从理论上系统地研究了涡旋诱发重联的基本动力学特性.包括:涡旋诱发重联的物理机制;Kelvin—Helmholtz(K-H)不稳定性和撕裂模不稳定性耦合过程;磁流体涡管的基本特性;不同尺度涡旋间的相互作用,动能和磁能间的转化及准稳态时流线、磁力线、等涡度线和等电流密度线的相似性等.用二维MHD数值模拟方法研究了上述一些特性,并与理论分析结论进行了比较.结果表明,模拟结果证实了理论推论.涡旋诱发重联是产生局部磁场重联的重要机制之一,该模型在磁顶区的应用将另文发表.     

涡旋诱发重联模型（Ⅰ）——动力学特性

本文首先从理论上系统地研究了涡旋诱发重联的基本动力学特性.包括:涡旋诱发重联的物理机制;Kelvin-Helmholtz（K-H）不稳定性和撕裂模不稳定性耦合过程;磁流体涡管的基本特性;不同尺度涡旋间的相互作用,动能和磁能间的转化及准稳态时流线、磁力线、等涡度线和等电流密度线的相似性等.用二维MHD数值模拟方法研究了上述一些特性,并与理论分析结论进行了比较.结果表明,模拟结果证实了理论推论.涡旋诱发重联是产生局部磁场重联的重要机制之一,该模型在磁顶区的应用将另文发表.     

涡旋诱发重联模型（Ⅱ）——通量传输事件理论和模拟

The formation, structure and motional properties of flux transfer events （FTEs） at the dayside magnetopause are investigated according to the model of vortex induced reconnection. The theoretical and simulation results can explain the main observational phenomena of FTEs. This model can also be used to study the local reconnection phenomena at the nightside magnetopause region. It is proposed that the phenomena of flux tranfer events may be generated at the region of nightside magnetopause.     

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.     

中磁尾重联触发亚暴的单事例分析

磁层亚暴的发生与近磁尾（约6～8 R_E）电流片中断和中磁尾（约20～30 R_E）磁场重联密切相关,而极光的极向扩展、电流片中断和磁尾重联的时序过程对于认识亚暴的触发机制至关重要. 本文利用位于中磁尾的CLUSTER卫星,同步轨道附近LANL-01、LANL-97卫星,近磁尾POLAR和 极区IMAGE卫星的观测,分析了单个亚暴事例.结果表明,在此事件中,中磁尾磁场重联起始比近尾电流片中断早3 min发生,电流片中断发生4 min后,IMAGE卫星观测到极光增亮,同时AE指数突然增大,亚暴膨胀相起始. 观测结果与亚暴中性线模型较为吻合.     

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。     

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.     

磁层顶高纬边界层的瞬时重联过程

用二维可压缩的ＭＨＤ模型模拟研究了北半球背阳面磁层顶区的瞬时重联过程．结果表明,当行星际磁场（ＩＭＦ）具有南向Ｂｚ分量和背太阳向Ｂｘ分量时,ＩＭＦ与地磁场联接,磁层顶向外扩张,在等离子体幔区可形成流体旋涡,磁力线被扭曲,但不易形成磁涡旋;当ＩＭＦ具有北向Ｂｚ分量时,不论Ｂｘ分量是背向太阳或指向太阳,都可发生瞬时重联,而且当ＩＭＦＢｘ分量与地磁场Ｂｘ分量反向时,在等离子体幔区更易形成磁涡旋．这两种情况,在磁层顶边界层区都能产生多层的电流片．     

磁层顶高纬边界层的瞬时重联过程

用二维可压缩的ＭＨＤ模型模拟研究了北半球背阳面磁层顶区的瞬时重联过程．结果表明，当行星际磁场（ＩＭＦ）具有南向Ｂｚ分量和背太阳向Ｂｘ分量时，ＩＭＦ与地磁场联接，磁层顶向外扩张，在等离子体幔区可形成流体旋涡，磁力线被扭曲，但不易形成磁涡旋；当ＩＭＦ具有北向Ｂｚ分量时，不论Ｂｘ分量是背向太阳或指向太阳，都可发生瞬时重联，而且当ＩＭＦＢｘ分量与地磁场Ｂｘ分量反向时，在等离子体幔区更易形成磁涡旋．这两种情况，在磁层顶边界层区都能产生多层的电流片．     

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.