A New Formulation for General Relativistic Force-Free Electrodynamics and Its Applications

We formulate the general relativistic force-free electrodynamics in a new 3 ＋ 1 language. In this formulation, when we have properly defined electric and magnetic fields, the covariant Maxwell equations could be cast in the traditional form with new vacuum constitutive constraint equations. The fundamental equation governing a stationary, axisymmetric force-free black hole magnetosphere is derived using this formulation which recasts the Grad-Shafranov equation in a simpler way. Compared to the classic 3＋1 system of Thorne and MacDonald, the new system of 3＋1 equations is more suitable for numerical use for it keeps the hyperbolic structure of the electrodynamics and avoids the singularity at the event horizon. This formulation could be readily extended to non-relativistic limit and find applications in fiat spacetime. We investigate its application to disk wind, black hole magnetosphere and solar physics in both fiat and curved spacetime.     

利用激光气流分割技术同时测定斜长石的微量元素与Sr同位素

斜长石是火成岩中的主要造岩矿物之一。其微量元素和Sr同位素组成可以用来示踪多种地质过程。传统的斜长石研究需要进行2次独立的激光剥蚀电感耦合等离子体质谱分析,来分别测试微量元素和Sr同位素组成。然而对于具有复杂环带结构的斜长石, 2次激光剥蚀分析获得的微量元素和Sr同位素可能是解耦的。本研究采用近几年兴起的激光气流分割技术建立了通过1次激光剥蚀同时测试斜长石微量元素和Sr同位素的方法。该方法将1台激光剥蚀系统(LA)同时与1台高分辨率扇形磁场等离子体质谱(SF-ICP-MS)和1台多接收等离子体质谱(MC-ICP-MS)联机。在1次激光剥蚀过程中,通过Y形接头将激光剥蚀产生的气溶胶分为两路,一路气溶胶进入MC-ICP-MS进行同位素组成分析,另一路气溶胶进入SF-ICP-MS进行微量元素含量分析。使用本方法分析USGS玄武玻璃标样BHVO-2G和NKT-1G的Sr同位素组成和微量元素含量,分析结果在误差范围内均与推荐值或前人报道值一致。此外,本研究利用建立的方法对满洲里巴杨山塔木兰沟组火山岩中的斜长石斑晶进行了微量元素和Sr同位素的同时测试,并利用斜长石成分计算了平衡熔体的微量元素组成。...     

基于井中垂直磁场的可控源电磁法深部矿产探测研究

我国浅部可用矿产资源量日益枯竭,如何提高深部矿产探测效果是亟待解决的重要问题。然而对于深部资源的探测,受限于地面地球物理勘探技术的探测精度、深度以及抗干扰能力,传统的电磁法难以在地表准确探测到深部隐伏矿的有用信息。为提高可控源电磁法（CSEM）的分辨率,本文利用矿井作为接收电磁总场响应的测点位置,采集井中垂直磁场数据BZ,获取地下电导体三维空间分布信息。采用有限差分法正演研究不同矿井位置对异常体的正演响应,结果表明矿井越靠近地下异常体边界,响应越大。基于有限内存拟牛顿法（LBFGS）所实现的快速三维反演,进一步证实井中磁场数据可以有效提升对深部空间信息的识别。最后,井中磁场数据与地面磁场数据结合起来实施的联合反演,实现了从浅到深的高精度成像,为实际深部矿产勘探提供了理论支撑。     

2018年永清MW 4.3地震前后岩石圈磁场变化特征

选取华北部分地区2016—2019年流动地磁矢量资料,分析2018年2月12日永清M_W 4.3地震前后岩石圈磁场变化特征。结果表明,地震前岩石圈磁场变化异常特征显著,震后异常消失。在震前岩石圈磁场变化中,磁场的D、I、F、H、Z分量出现不同程度的异常特征,这些震前异常呈现出相同的、相似的变化趋势。在震前随着时间的不断累积,岩石圈磁场变化异常愈加显著,其中震前1.5年期各分量震磁异常显著。与震前相比,震后岩石圈磁场变化特征及趋势发生了较大改变。     

岩石圈磁场数据网格化方法研究

选取最小曲率、克里格、改进Shepard、反距离加权和径向基函数等5种网格化数学模型,对小江断裂地磁总强度加密区岩石圈磁场数据进行数据网格化,采用均方根预测误差和插值数据残差均方根等评价指标对网格化结果进行评价,结果表明,克里格插值与反距离加权插值法的精度最高。进一步比较克里格插值与反距离加权插值法的网格化图形质量,结果显示克里格插值网格化过程中兼顾了数据的平滑性和各实测点与待估点之间的空间位置关系,避免了系统误差,得出克里格插值更适用于岩石圈磁场数据网格化的结论。     

磁重联电流片的参数变化对电子加速的影响

通过采用试验粒子的方法,研究了在有引导磁场Bz存在的磁重联电流片中,电子被super-Dreicer电场Ez加速后的运动特征.首先,考虑了引导磁场恒定且与电场有不同方向时对粒子加速的影响.在这种情况下,Bz方向的改变直接改变了电子的运动轨迹,使其沿着不同的路径离开电流片.在Bz和Ez同向时,高能电子的pitch-angle接近于180°.然而,当2者反向时,高能电子的pitch-angle接近0°.引导磁场的取向只是使电场有选择地对不同区域的电子进行加速,不会最终影响电子的能量分布,最终得到的能谱是普遍的幂率谱E-γ.在典型的日冕条件下, γ大约等于2.9.进一步的研究表明γ的大小依赖于引导磁场及磁重联电场的强弱,以及电流片的尺度.随后,也研究了包含多个X-点和O-点电流片中被加速粒子的运动特征.结果表明X-点和O-点的存在使得粒子被束缚在加速区并获得最大的加速,而且最终的能谱具有多幂率谱的特征.     

磁化吸积盘的不稳定性研究

从磁流体动力学方程组出发,用微扰法得到的色散方程中含有环向磁场.利用全新的反常粘滞和反常阻抗,对吸积盘进行数值计算,结果表明,只有竖直方向的弱磁场才可以引发一种单调不稳定性.磁场对粘性吸积盘表现为非稳定性因素,增长率随磁场的增强而增大,且最大增长率大于理想情况下的值.垂向磁场足够强时,单调不稳定性不会出现.     

天山西南段乌恰—柯坪地区航磁磁场特征与成矿远景预测

本文以1998年1：20万航空磁测资料为基础，参考地质和化探资料，对工作区磁场特征、岩浆岩、断裂构造与矿产分布的关系进行探讨，研究地质成矿环境，建立寻找热液型和火山－沉积型的铜、铅、锌、金、铁、锰矿找矿标志，对本区找矿远景进行了预测。     

南极中山站和北京十三陵台标度值的讨论

通过处理南极中山站的地磁资料与北京十三陵台对比，发现在磁场扰动时，仪器的标度值Ｓ＝Ｈ×２Ｉ÷Ｎ有误差产生，提出了对中山站仪器标度值误差的改进方法。减少了误差，提高了资料的准确度。     

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．