磁层顶边界区剪切流MHD不稳定性的非线性演化

本文利用MHD二维不可压模式,研究了地球磁层顶边界区剪切流引起的Kelvin-Helmholtz（K-H）不稳定性问题,得到了一个新的非线性微分方程组.理论和数值分析表明:该问题的非线性演化对初值非常敏感,而且在雷诺数和磁雷诺数给定的条件下,Alfven马赫数（M_A）对K-H不稳定性的非线性演化起决定性作用.这组方程蕴含几个吸引子,如不动点,极限环和奇异吸引子等,这体现了磁层顶非线性系统的复杂性.文中还发现背景磁场在磁层顶K-H不稳定性的非线性演化过程中起很重要的作用.     

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.     

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．     

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.     

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.     

多层电流片中双撕裂模的耦合

应用边界层理论研究了多层电流片中m≥2的双撕裂模的耦合发展行为．在一阶近似下,解析求得了环位形中撕裂模的外区匹配参数Δ,所得结论对撕裂模的线性和非线性发展均有意义．结果表明,两有理面模之间的耦合总是使双撕裂模更不稳定．耦合的强度不仅与两有理面之间的距离和平衡状态有关,而且与模在两有理面发展的相对强弱有关．两有理面相距愈远,耦合相对愈弱;发展强的有理面处的模对另一有理面处的模影响更大．本文用所得结论对双撕裂模的初始非统性发展行为进行了分析．多层电流片中撕裂模不稳定性引起的自发重朕,可能对太阳耀斑、日冕加热、太阳风和磁层耦合等有重要影响．     

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.     

地球磁层顶湍动重联的数值模拟

用二维磁流体力学数值模拟研究了磁层顶的磁场湍动重联．提出了一个新的磁场湍动重联模型．数值模拟表明，如果磁层顶是一个开放系统并同时存在磁场剪切和流场剪切，当雷诺数和磁雷诺数超过某临界数值时，磁场重联具有很强的湍动特性，可产生许多不同尺度的磁岛和涡旋结构．随着雷诺数和磁雷诺数的增大和减小，大尺度结构能破碎成中小尺度结构，小尺度结构也能合并成大中尺度结构．湍动重联是涡旋诱发重联在一定条件下的过渡．依据本文的模拟结果，我们预言：磁层预可发生准定常重联、瞬时局地重联和湍动重联等多种重联过程；大中小不同尺度的结构都可以存在于磁层顶；湍动重联及其所产生的中小尺度结构在太阳风－磁层的能量、动量和质量耦合过程中可起重要作用．     

地球磁尾和磁层顶磁场变化的随机特性

本文讨论了平板模型下电阻不稳定性使磁力线由对称平衡状态进入随机状态的可能性;给出该模型下以（x,z）为正则坐标的哈密顿函数表达式;在Harris平衡磁场分布下分析了撕裂模不稳定性,驱动重联和涡旋诱发重联引起的磁力线随机特性;估计了两个磁岛相互作用时磁力线进入随机态的临界值.本文结果可用于讨论地球磁层顶和磁尾处磁场的性质.     

多层电流片中双撕裂模耦合的压强效应

应用边界层理论研究了等离子体压强对多层电流片中m≥2的双撕裂模耦合的线性和非线性发展行为的影响.考虑等离子体的压强效应，在一阶近似下，解析求得了环位形中双撕裂模的外区匹配参数Δ′.结果表明，当等离子体β<<1时，等离子体压强对双撕裂模的两有理面模之间通过撕裂模外区发生耦合作用的线性行为没有定性影响.虽然等离子体压强将影响双撕裂模耦合的非线性行为，但是主要表现在对其单模项的影响，而对由于两有理面模之间的耦合作用产生的耦合项的影响却很小.     

磁层顶的漂移动力学磁声-Alfvén模不稳定性

本文得出了高β等离子体中在速度梯度、密度梯度、磁场梯度和温度梯度联合作用下的一种新的不稳定模:漂移动力学磁声-Alfvèn模,导出了线性色散关系,研究了模的特性并讨论了高β和各种梯度项对该模的影响,估算了垂直扩散系数。计算表明,在地球磁层顶边界区中漂移动力学磁声-Alfvèn模总是不稳定的。随着β增加,增长率起初增大,而后减小,这是此模的一个显著特性;速度梯度是驱动此模的重要自由能源;当扰动磁场为1nT时,垂直扩散系数可达～10⁹m²/s。从而说明漂移动力学磁声-Alfvèn模不稳定性产生的反常输运,有可能维持准定常的磁层对流,并且在边界层的形成中起重要作用。     

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.     

地球磁层顶的无碰撞Kelvin-Helmholtz不稳定性（Ⅰ）

本文用无碰撞等离子体的CGL近似,讨论了地球磁层顶的Kelvin-Helmholtz（K-H）不稳定性问题。同可压缩MHD近似一样,CGL等离子体也存在下、上两个临界速度v_c和v_u。不稳定性仅当v_c<₀ cosα<_u时才能激发,v₀为磁鞘等离子体流速,α为v₀和切向波矢k_t间的夹角。在向阳面低纬区,时间增长率ε和空间增长率κ与可压缩MHD的相应值相近。当v₀ cosα≥v_u时,不稳定表面波转化为稳定的体波。各向异性对K-H不稳定性有显著影响。在近日点低纬处,若磁鞘各向异性参数S₂接近水龙带不稳定性的阈值,很小的v₀便能激发不稳定表面波。S₂低于极小值S₂^min时,不稳定性不可能产生。所谓Overstability现象是不存在的。     

长期天气过程中的长波不稳定問題的探討

本文中采用二层线性模式讨论了地面摩擦,水平热量交换和动量交换,以及长波辐射冷却等因子对长波稳定状况的影响.并且给出了相应的温压场结构,由理论上证实了当温度波还落后于气压波时,运动就已经开始阻尼的这个事实.     

亚暴膨胀相近磁尾位形不稳定性模型Ⅰ．近磁尾位形不稳定性

用单流体和双流体ＭＨＤ近似，研究了近磁尾位形不稳定性（ＮＥＴＣ）．分析表明，ＮＥＴＣ可能存在两种漂移不稳定情况Ｃ１和Ｃ２与卫星观测资料对比显示，Ｃ２较容易在亚暴膨胀相前夕出现，它可以解释亚暴膨胀相期间磁场和等离子体扰动的特征周期、尾向传播速度、磁场扰动和等离子体压强扰动之间的位相关系，场向电流的周期性结构，西向涌浪头部的电子沉降和极光隆起等观测特性和现象．薄电流片的极端情况（Ｒｃ≈ｒｉ）不在本文的讨论范围之内．     

利用GS流场重构方法研究磁尾等离子体片涡流

2000年9月30日Geotail卫星分别于17∶54∶36~18∶09∶00UT和18∶59∶00~19∶30∶00UT在磁尾晨侧等离子体片内(n≈0.4 cm^-3,T≈6 keV)观测到等离子体涡流事件.本文采用Grad-Shafranov (GS)流场重构技术再现了这些涡流的二维速度场、离子数密度和离子温度的分布图像.结果显示:从地心太阳磁层坐标系(GSM)赤道面上面看, 涡流的尺度约为5000 km×1400 km , 朝地球的运动速度约为15~25 km/s.所有5个涡流的旋转方向都为顺时针方向,旋转周期约为6~11 min.相邻涡流的相互作用导致它们之间的磁场强度增强.考察观测数据发现,涡流内不仅包含等离子体片热等离子体成分,也包含较大通量的类似源自磁鞘的冷等离子体成分(T<1 keV).这与观测到涡流等离子体的平均温度(T≈4 keV)较磁尾等离子体片等离子体的典型温度(T≈6 keV)明显偏低的事实是一致的.不仅如此,离子数密度和温度在结构内的分布也不均匀,数密度在涡流内部偏离中心的位置比较低而在每个涡流的边缘位置比较高,温度的分布大体上与密度相反.分析认为观测到的磁尾等离子体涡流事件可能由发生在低纬边界层的Kelvin-Helmholtz不稳定性引起,涡流结构内的冷等离子体可能来自磁层顶外部的磁鞘.