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无碰撞磁场重联地面实验平台的研制与建设
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作者 张乔枫 谢锦林 +6 位作者 桑龙龙 杨发 唐磊 白子逸 刘悠然 胡市航 陆全明 《地球与行星物理论评(中英文)》 2024年第3期317-328,共12页
中国科学技术大学无碰撞磁场重联实验平台(KRX)是以揭示无碰撞磁场重联的触发机制、对无碰撞磁场重联电子扩散区的结构及相关等离子体波动进行深入细致研究为目标而建设的大型等离子体装置,是开展空间环境基本物理过程地面实验模拟的综... 中国科学技术大学无碰撞磁场重联实验平台(KRX)是以揭示无碰撞磁场重联的触发机制、对无碰撞磁场重联电子扩散区的结构及相关等离子体波动进行深入细致研究为目标而建设的大型等离子体装置,是开展空间环境基本物理过程地面实验模拟的综合性平台.装置主体为直线位形,真空室直径3 m,由多段拼接而成,整体呈胶囊型,内部采用2 m×1 m全球最大氧化物阴极源产生均匀的背景等离子体.装置外部环绕10组导向场磁线圈,内部由上下两块平行电流板通同向脉冲电流构建重联磁场位形,脉冲电源采用“H”桥结构实现了可控的变速率重联驱动.在装置四周共开设200多个真空窗口,能够通过探针阵列及太赫兹偏振干涉仪、激光诱导荧光等先进光学诊断系统对磁场重联过程开展全域、主动、高精度的测量.该平台是最新一代磁场重联实验平台,其重联区域尺寸达到10倍离子惯性长度,伦德奎斯特数S有望达到105,为开展无碰撞磁场重联实验创造了良好条件,能够对磁场重联过程开展多尺度、全面细致的研究,是卫星观测和数值模拟研究重要补充.目前,实验平台已完成基础建设以及诊断等关键组件的研制,并在小型装置预研结果的基础上完善了针对多尺度、多磁岛合并、三维磁场重联等热点问题的研究方案. 展开更多
关键词 空间环境 磁场重联 等离子体装置 地面实验
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非对称磁场重联电子扩散区附近的能量通量分析
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作者 王俊 周猛 +1 位作者 庞烨 邓晓华 《空间科学学报》 CAS CSCD 北大核心 2023年第5期795-806,共12页
磁场重联是等离子体中非常重要的能量转换过程,研究该过程中的能量转化形式及其分配十分重要。目前有很多关于对称重联中的能量通量的研究,而磁层顶的非对称重联的研究却很少,特别是多事件的统计研究。因此挑选了MMS卫星观测到的10个经... 磁场重联是等离子体中非常重要的能量转换过程,研究该过程中的能量转化形式及其分配十分重要。目前有很多关于对称重联中的能量通量的研究,而磁层顶的非对称重联的研究却很少,特别是多事件的统计研究。因此挑选了MMS卫星观测到的10个经过电子扩散区的磁层顶重联事件对其进行分析,结果表明在不同的事件中能量通量的分配情况不一样,但在大多数事件中,离子焓通量占主导地位,其次是坡印廷通量,离子热通量略小于坡印廷通量,离子动能通量、电子焓通量和电子热通量占比在10%以下。通过对事件进行归一化处理,得到了L方向和M方向的不同能量通量随L方向的磁场和离子速度的关系图,并分析了每种能量通量的分布特征。 展开更多
关键词 空间等离子体 非对称磁场重联 能量通量 电子扩散区 出流区
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磁场重联中离子轨道的混合模拟研究 被引量:9
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作者 贾英东 李毅 +1 位作者 王水 葛亚松 《地球物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2003年第2期145-151,共7页
在使用 2 .5维混合模拟方法研究了Petschek模型稳态驱动磁场重联演化的基础上 ,本文考察了计算域内各典型区域中粒子分布函数的变化 ,描绘了重联区不同位置几种类型的非Maxwell分布函数 .结果表明 ,磁场重联会将重联区少部分粒子加速到... 在使用 2 .5维混合模拟方法研究了Petschek模型稳态驱动磁场重联演化的基础上 ,本文考察了计算域内各典型区域中粒子分布函数的变化 ,描绘了重联区不同位置几种类型的非Maxwell分布函数 .结果表明 ,磁场重联会将重联区少部分粒子加速到很高的能量 ,不同加速程度的粒子将形成球壳状的速度分布 .粒子的轨道特征表明 ,在重联区中出流的粒子 ,有一部分被磁镜捕获 ,其回旋半径大于重联区宽度 ,并构成整个流体速度的低速部分 .另外 ,在X中性点附近进入重联区的粒子沿磁力线向出流区以三种形式漂移 ,分别为 :沿磁力线逃逸、捕获在磁镜中随流体运动、横越磁力线漂移 ,其比例分别约为 70 % ,2 0 %和 10 % . 展开更多
关键词 磁场重联 粒子轨道 混合模拟
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磁场重联的二维粒子模拟研究 被引量:4
4
作者 郭俊 陆全明 +1 位作者 王水 窦贤康 《空间科学学报》 CAS CSCD 北大核心 2003年第4期248-255,共8页
利用二维全粒子模拟方法研究了无碰撞等离子体中的磁场重联过程,得到了不同区域的离子和电子速度分布。计算结果表明,电子和离子在扩散区中的不同动力学特性产生的Hall电流使磁场的y分量B_y呈现四极形分布。离子和电子的速度分布偏离了... 利用二维全粒子模拟方法研究了无碰撞等离子体中的磁场重联过程,得到了不同区域的离子和电子速度分布。计算结果表明,电子和离子在扩散区中的不同动力学特性产生的Hall电流使磁场的y分量B_y呈现四极形分布。离子和电子的速度分布偏离了初态时的Maxwell分布,呈现非局域的多重分布。同时由于磁场重联而产生的电场使电子在X点附近得到加速和加热,因而在电子的能谱分布中形成一高能尾。 展开更多
关键词 磁场重联 二维全粒子模拟 速度分布 等离子体物理 电子 Maxwell分布 高能尾
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地球远磁尾中的磁场重联(Ⅰ)流动撕裂模不稳定性 被引量:5
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作者 王水 郑惠南 《地球物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 1991年第6期663-671,共9页
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... 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. 展开更多
关键词 地球 磁场重联 磁尾 稳定性
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引力场中磁场重联的数值研究──(Ⅰ)磁岛的形成和合并 被引量:3
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作者 王水 李硕军 郑惠南 《地球物理学报》 SCIE EI CSCD 北大核心 1994年第2期137-146,共10页
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... 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. 展开更多
关键词 磁场重联 引力场 耀斑 磁岛
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地球磁层顶磁场重联的动力学过程 被引量:1
7
作者 曹晋滨 马志伟 +2 位作者 路立 周国成 刘振兴 《地球物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2002年第5期597-604,共8页
The effects of electron pressure gradient term in the generalized Ohm’ law is studied by 3 D MHD simulation code under condition of high plasma Beta and small ion inertial length. The results show that the electron p... The effects of electron pressure gradient term in the generalized Ohm’ law is studied by 3 D MHD simulation code under condition of high plasma Beta and small ion inertial length. The results show that the electron pressure gradient term increases the velocity of electrons and ions, and therefore increases the field aligned current, finally leading to the increase of core magnetic field. Since the field aligned current is the principal way by which the magnetosphere is coupled with the ionosphere, the electron pressure gradient term enhances the coupling of magnetosphere ionosphere. The electron pressure gradient can also generate the dynamic Alfven wave. It is supposed that this Alfven wave may change the velocity of particles. 展开更多
关键词 地球磁层 磁场重联 电子压力梯度 场向电流 粒子加速
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磁场重联中的电子加速机制的数值模拟研究 被引量:1
8
作者 葛亚松 李毅 +1 位作者 王水 窦贤康 《地球物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2004年第5期747-755,共9页
在应用 2 .5维混合模拟方法研究Petschek模型磁场重联的基础上 ,考察了试验电子被加速的特征 .模拟结果表明 ,稳态的低频重联场能将少量试验电子加速到高能 ,电子的能谱为幂律谱 ,但总体分布函数未发生显著变化 .电子在整个加速过程中... 在应用 2 .5维混合模拟方法研究Petschek模型磁场重联的基础上 ,考察了试验电子被加速的特征 .模拟结果表明 ,稳态的低频重联场能将少量试验电子加速到高能 ,电子的能谱为幂律谱 ,但总体分布函数未发生显著变化 .电子在整个加速过程中被束缚在低磁场的加速区内 ,由重联产生的感应电场Ey 分量对其直接加速 ,根据加速时间和加速区域可以将这些电子分为两种情况 :初始位于加速区和漂移到加速区被加速 . 展开更多
关键词 磁场重联 电子加速 数值模拟 混合模拟
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各向异性等离子体中磁场重联的混合模拟研究 被引量:1
9
作者 郭俊 李毅 +1 位作者 陆全明 王水 《空间科学学报》 CAS CSCD 北大核心 2003年第2期81-88,共8页
应用二维三分量混合模拟方法数值研究了各向异性等离子体中的磁场重联过程.计算结果表明,当等离子体垂直于磁场方向的压强大于平行方向的压强时(P⊥/P∥=1.5),等离子体不稳定性的增长率会大大增强,重联速度也会加快;当等离子体垂直方向... 应用二维三分量混合模拟方法数值研究了各向异性等离子体中的磁场重联过程.计算结果表明,当等离子体垂直于磁场方向的压强大于平行方向的压强时(P⊥/P∥=1.5),等离子体不稳定性的增长率会大大增强,重联速度也会加快;当等离子体垂直方向的压强小于平行方向的压强时(P⊥/P∥=0.6),会出现火蛇管不稳定性,将抑制撕裂模不稳定性和磁场重联过程. 展开更多
关键词 磁场重联 混合模拟 压力各向异性 太阳系 等离子体物理
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ESW在磁尾磁场重联耗散区分形线附近的观测特性及其作用 被引量:1
10
作者 李世友 邓晓华 王敬芳 《地球物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2009年第4期902-910,共9页
磁场重联是空间能量释放和转换的重要机制.静电孤立波(ESW)虽然在空间中有广泛观测,但在磁场重联附近少有直接观测,对它在磁场重联附近的特性了解甚少.通过Geotail卫星对一个磁场重联事件的观测,仔细分析了其边界层上观测到的静电孤立... 磁场重联是空间能量释放和转换的重要机制.静电孤立波(ESW)虽然在空间中有广泛观测,但在磁场重联附近少有直接观测,对它在磁场重联附近的特性了解甚少.通过Geotail卫星对一个磁场重联事件的观测,仔细分析了其边界层上观测到的静电孤立波的特性,并讨论了它对磁场重联的影响.研究表明,亚暴期间在磁尾发生磁场重联,重联区域的分形线附近观测到了大量的静电孤立波,其特性与在其他地方观测到的并没有显著差别,但具有更明显的非线性和孤立性的特征.它们对电子加速和能量耗散有促进作用,加速磁场重联的进程. 展开更多
关键词 磁场重联 静电孤立波 离子耗散区 电子加速
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密度非对称的二维无碰撞磁场重联 被引量:1
11
作者 黄俊 马志为 《地球物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2008年第4期960-967,共8页
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... 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_(?)=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_(?)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。 展开更多
关键词 磁层顶 无碰撞磁场重联 粒子模拟 非对称电流片 温度梯度 垂直电场
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无碰撞磁场重联中的不同电子特征:不同质量比下的PIC模拟 被引量:1
12
作者 郭俊 关立强 王翠 《延边大学学报(自然科学版)》 CAS 2008年第2期102-104,共3页
采用二维三分量的全粒子模拟方法研究了不同离子电子质量比(mi/me)下的无碰撞磁场重联中的电子特征.研究结果显示:质量比(mi/me)几乎对重联率没有影响,但是对扩散区的电子行为却影响很大.随着质量比的增大,沿着分离线的电子出流区变窄,... 采用二维三分量的全粒子模拟方法研究了不同离子电子质量比(mi/me)下的无碰撞磁场重联中的电子特征.研究结果显示:质量比(mi/me)几乎对重联率没有影响,但是对扩散区的电子行为却影响很大.随着质量比的增大,沿着分离线的电子出流区变窄,从而电子的出流速度增大.在较大的质量比事例中出现了平行于磁场的电场,这些电场对电子的加速和加热有着重要的影响. 展开更多
关键词 无碰撞磁场重联 粒子模拟 电子加速
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伴随磁场重联哨声波的观测与统计分析
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作者 刘琨 邓晓华 +3 位作者 李世友 袁志刚 沈韦华 周猛 《武汉大学学报(理学版)》 CAS CSCD 北大核心 2007年第1期110-114,共5页
利用GEOTAIL卫星探测得到的磁场、粒子和波的数据,通过观测伴随着磁场重联的哨声波、静电孤立波、高频静电调制波等波,统计分析了地球磁尾伴随重联过程的哨声波的频率、空间位置分布等特性.结果表明:伴随磁场重联的哨声波,其频率... 利用GEOTAIL卫星探测得到的磁场、粒子和波的数据,通过观测伴随着磁场重联的哨声波、静电孤立波、高频静电调制波等波,统计分析了地球磁尾伴随重联过程的哨声波的频率、空间位置分布等特性.结果表明:伴随磁场重联的哨声波,其频率在10~500Hz之间,在磁尾主要分布于等离子体片及其边界层.通过卫星观测结果证实:在导向磁场By较小时(By〈7nT),哨声波在磁场重联过程中起到重要的调制作用,从观测上证实了理论预测和计算机模拟结果. 展开更多
关键词 哨声波 磁场重联 等离子体片边界层 波粒相互作用
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三维非线性撕裂模耦合和快速磁场重联
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作者 邓晓华 王水 王敬芳 《空间科学学报》 CAS CSCD 北大核心 1996年第1期24-33,共10页
基于三维不可压缩电阻性MHD方程,在长柱形位型下,数值研究了电阻撕裂模不稳定性所引起的磁场重联过程.研究结果表明,撕裂模的非线性相互作用和耦合,将产生许多模式的强烈解稳和导致快速的磁场重联.这一过程的进一步发展,导致... 基于三维不可压缩电阻性MHD方程,在长柱形位型下,数值研究了电阻撕裂模不稳定性所引起的磁场重联过程.研究结果表明,撕裂模的非线性相互作用和耦合,将产生许多模式的强烈解稳和导致快速的磁场重联.这一过程的进一步发展,导致具有螺旋形结构、不同模式的磁岛磁力线重叠,从而引起较大区域内的磁场各态经历和磁力线随机走向,形成撕裂模湍动;该湍动将会产生较大的反常电阻,反过来可以进一步加速撕裂模的非线性发展.这种自激过程,有助于理解日冕中的快速磁重联,并可作为一种可能的太阳耀斑机制. 展开更多
关键词 太阳耀斑 磁场重联 撕裂模 不稳定性
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磁场重联中的哨声波与Hall效应
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作者 丘琪 金曙平 《空间科学学报》 CAS CSCD 北大核心 2008年第2期114-122,共9页
数值研究Hall电流效应对于重联动力学特征及波动特性的影响.结果表明,具有强Hall效应的算例,重联出流区张角大,重联率高.对于不同Hall效应的算例,应用快速傅里叶变换(FFT),将平面外磁场By分量和(x,z)平面内的速度分量vx,vz位于给定点的... 数值研究Hall电流效应对于重联动力学特征及波动特性的影响.结果表明,具有强Hall效应的算例,重联出流区张角大,重联率高.对于不同Hall效应的算例,应用快速傅里叶变换(FFT),将平面外磁场By分量和(x,z)平面内的速度分量vx,vz位于给定点的时间序列转换为功率谱,并对电场E采用最小方差分析法,确定波的传播方向与偏振特性.研究发现,在强Hall效应的算例中,磁分界线附近存在具有典型特征的哨声波, Hall效应减弱,则波动信号减弱.上述结果表明, Hall电流效应对重联动力学特征具有重要影响,是产生哨声波和快速重联率的关键因素;此外,对于强Hall效应的算例,磁分界线附近哨声波幅度与平面内场向电流Jp间存在正相关关系,它从另一个侧面展示了哨声波与Hall效应间的重要联系. 展开更多
关键词 磁场重联 哨声波 Hall效应
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无碰撞磁场重联中的电子密度降低
16
作者 赵波 关立强 +1 位作者 王翠 郭俊 《延边大学学报(自然科学版)》 CAS 2009年第2期120-123,共4页
采用二维全粒子模拟方法研究了无碰撞磁场重联.研究结果显示:沿着分离线出现了电子密度降低,而电子的高速入流正好位于电子密度降低所在的位置.在扩散区出现了平行于磁场的电场E∥,通过跟踪在某一时刻位于电子密度降低处的一个电子随后... 采用二维全粒子模拟方法研究了无碰撞磁场重联.研究结果显示:沿着分离线出现了电子密度降低,而电子的高速入流正好位于电子密度降低所在的位置.在扩散区出现了平行于磁场的电场E∥,通过跟踪在某一时刻位于电子密度降低处的一个电子随后的运动轨迹和速度变化,证明这些电场将会加速和加热电子使其快速流向X线,从而产生电子密度降低. 展开更多
关键词 无碰撞磁场重联 粒子模拟 电子密度降低
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日冕三重无力场电流片的磁场重联
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作者 胡友秋 《天体物理学报》 CSCD 1999年第2期156-162,共7页
采用二维三分量磁流体力学模型,对日冕三重无力场电流片的磁场重联进行了数值研究,揭示了重联过程的基本物理特征.这类重联过程将加热和加速日冕等离子体,并导致多个高温、高密度、高磁螺度的磁岛的形成和向上喷发.这表明,多重无... 采用二维三分量磁流体力学模型,对日冕三重无力场电流片的磁场重联进行了数值研究,揭示了重联过程的基本物理特征.这类重联过程将加热和加速日冕等离子体,并导致多个高温、高密度、高磁螺度的磁岛的形成和向上喷发.这表明,多重无力场电流片的重联可能在日冕磁能释放、上行等离子体团的形成和太阳磁场螺度向行星际空间的逃逸方面起重要的作用. 展开更多
关键词 太阳磁场 无力场 磁场重联 磁螺度 日冕 电流片
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行星际磁场北向时磁层顶区磁场重联的全球模式 被引量:4
18
作者 张洪 刘振兴 《空间科学学报》 CAS CSCD 北大核心 1996年第4期274-281,共8页
在对背阳面磁层顶区局域磁场重联模拟的基础上提出了一个行星际磁场北向时磁层顶磁场重联的全球模式.行星际磁场北向时碰层顶磁场重联导致近地尾瓣的能量被输送到远磁尾,太阳风能量不在磁尾储存,向阳面磁层顶变厚,磁层受到一系列扰动.
关键词 行星际磁场 磁层顶 磁场重联
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K-H不稳定性在多电流片系统磁场重联中的效应 被引量:1
19
作者 张洪 沈超 +1 位作者 刘振兴 马振国 《地球物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 1997年第4期445-452,共8页
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... 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. 展开更多
关键词 电流片 磁场重联 磁流体力学 数值模拟 不稳定性
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空间等离子体压力各向异性对磁场重联的影响 被引量:3
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作者 马颖娟 王水 《空间科学学报》 CAS CSCD 北大核心 2000年第1期10-15,共6页
基于二维时变可压缩磁流体动力学模拟,数值研究了等离子体压力各向异性对磁场重联的影响,发现一个小的压力各向异性(P=1.
关键词 压力各向异性 磁场重联 空间等离子体 撕裂模
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