亚暴事件中磁尾多重等离子体团的数值研究(Ⅰ)

GEOTAIL卫星于1994年1月15日亚暴期间，在深磁尾（x＝96RE）观测到多重等离子体团及与之相对应的高能离子爆，作者以宁静磁尾平衡位形为初态，考虑介质的可压缩性，数值研究亚暴期间磁尾动力学过程．计算结果展现了等离子体团间歇性形成及其运动发展过程．体现了强亚暴事件中储存于碰尾的能量，通过多重等离子体团的排放而逐渐释放的进程．数值结果还表明：持续施加于边界上的晨昏电场及由此引发的驱动重联是导致等离子体团准周期形成的主要因素．此外，作者还考察尾瓣内任一点磁场强度及其分量随时间的演化，它与行进压缩区（TCRs）的观测特征基本相符．

亚暴事件中磁尾多重等离子体团的数值研究(Ⅱ)

以宁静磁尾平衡解为初态，本文考虑介质的可压缩性，对GEOTAIL卫星于亚暴事件中，观测到多重等离子体团与高能离子爆相对应之特征作模拟研究．数值结果表明：重复形成的等离子体团是高温、高密度区，揭示了等离子体团与高能离子爆──对应的动力学原因．本文的模拟结果还表明：大尺度等离子体团的地向运动，与X中性点的尾向迁移及地向流动增强相对应，而上述现象与驱动入流沿着边界的分布形态（即电场E的分布）有关．

磁尾通量绳结构中由压强损失导致的核心场增强

与亚暴活动密切相关的磁尾等离子体团可以具有不同的拓扑位形 ,多数磁尾等离子体团具有强核心场 ,是一种通量绳型磁结构 .MHD模拟表明 :地球磁尾不同拓扑位形磁结构的形成 ,与越尾分量By 的分布形态有关 .但是模拟研究所展示的通量绳结构 ,核心场强度远低于尾瓣区磁场强度 .本文考虑磁尾通量绳结构中 ,螺旋形磁力线向侧翼伸展产生的压强损失 ,在MHD方程中引入修正项 ρ tloss, T tloss及 By tinc.对于初始By 分量为均匀分布 ,受晨昏电场产生的边界入流作用 ,磁尾通量绳结构重复形成与逐一排放的两个算例 ,计入修正项后 ,多重磁结构峰值压强的平均值降低 ,核心场的平均值明显增大 .两个算例中 ,背景By 值较低的算例 1(By0 =1nT)中 ,核心场的相对增幅较大 .

驱动重联过程中等离子体团的聚合

本文对驱动重联过程作了二维可压缩磁流体动力学模拟．对于长的计算域（１：４），在持续入流的作用下形成了双重磁岛结构，这些磁岛在向外运动的过程中不断靠近，逐渐聚合成为一个大的等离子体团，并继续向外运动．这说明在地球磁层顶和磁尾所观测到的大尺度磁结构，很可能是在驱动重联过程中，由较小的等离子体团聚合后形成的．并初步揭示了在空间等离子体中，磁岛的聚合过程难以直接观测的动力学原因．

非稳态多重X线重联的类型与特征

为了进一步认识间歇性多重Ｘ线重联的特征，本文分析计算结果，发现入流自边界进入后向两侧发散，沿着ｘ轴（ｚ＝０）和出流边界（ｚ＝２），压强Ｐ和磁场Ｂ的分布形态表明这种非稳态重联属快模式扩张型．数值结果还表明，进入扩散区的入流马赫数Ｍｉ与磁雷诺数Ｒｍ之间基本满足关系式Ｍｉ≈１．５Ｒｍ－１／２─１．７５Ｒｍ－１／２，而且等离子体的加速与压强Ｐｔ（Ｐｔ＝Ｐ＋的梯度力有关．这些都是具有长电流片的Ｓｗｅｅｔ－Ｐａｒｋｅｒ模式的特征．变更入流边界（ｘ＝１）上的切向速度，非稳态重联的基本特征无明显改变．说明均匀分布的低电阻（相应于高磁雷诺数）是产生长电流片重联的主导因素，而入流边界上切向速度的选取，对多重ｘ线重联的形成及其基本特征则影响不大．

准周期性磁结构的形成过程及其特征的数值分析

在入流马赫数ＭＡ为０．１－０．４范围内，选取不同的入流，逐一考察在可压缩导电介质中磁场重联的类型随磁雷诺数Ｒｍ的变化．大量的数值结果表明：在不同入流驱动下，磁雷诺数（Ｒｍ）均有临界值存在，如果等离子体系统逐渐趋于稳定的单Ｘ线重联；若间歇性的次级撕裂产生了重复出现的磁结构，而且Ｍａ越大产生间歇性次级撕裂的临界值越高，与ＭＡ之间基本上符合线性关系．此外还发现，当多重Ｘ线重联间歇性地出现时，有关物理量发生准周期性地振荡．

磁层亚暴扩展相的数值模拟

本文用多步隐格式方法,求解包含电阻的磁流体力学方程组,对磁层亚暴扩展相作数值模拟.计算结果展现了亚暴扩展相期间磁尾变化的主要特征.它表明,球向和尾向等离子体流与准稳态重联有关.等离子体团的尾向喷发,致使中性线尾侧电流片内的密度降低,等离子体片变薄.中性线近地侧的等离子体团朝着地球运动,并合并于地球附近的重联区内.

双带耀斑磁重联过程的数值研究

本文用多步隐格式求解包含电阻的磁流体力学方程组,对双带耀斑的主相作数值模拟,清晰地展示了中性片区由撕裂模线性重联向准稳态重联的过渡以及后随耀斑环的产生和等离子体团的喷发过程.对于在能量方程中计及和忽略焦耳加热两种情况,分别作了计算.结果表明,计及焦耳加热时,电流片中等离子体的温度显著增加(是初始温度的2—3倍),但等离子体的运动速度却变化不大.两种情况的计算结果均表明:等离子体的运动速度低于声速,因此不会形成快激波.计及焦耳加热的计算结果显示了两个新的特征:其一是中性片高密度等离子体的受热膨胀,增大了电流片的有效厚度,它使重联速率降低,并逐渐趋于饱和,其二是同时形成上升和沉降等离子体团,后者与耀斑环碰撞,并合并于后随耀斑环内.

考虑热传导和焦耳耗散对太阳爆发事件的进一步研究

考虑焦耳耗散和热传导效应后对太阳爆发事件作进一步研究．数值结果表明，焦耳加热效应使等离子体团温度升高，热传导则将热量从高温区向低温区传输，同时考虑焦耳加热与热传导效应，模拟结果与作者1996年的结论（磁岛的运动方向与浮现场的温度、密度有关．磁岛向上运动撤离计算域或向下运动淹没于光球层，分别有向上或向下的高速流与之相对应）基本类似．这不仅揭示了磁通量对消与高速流产生的动力学原因、对红移、蓝移分量的非对称性作出合理解释，而且能更好地体现爆发事件中高速流的观测特征．

高纬向阳侧磁层顶通量传输事件的特性研究——通量管轴线方位及运动分析

本文分析了2001年2月和3月期间ClusterⅡ穿越磁层顶前后的观测资料,检测到13个通量传输事件(FTEs).用多颗卫星磁场测量资料的最小方差分析(MVAB)方法确定FTE的管轴方向(其中6个方向较可靠).FTE管轴方向的分布和低纬处不同,在磁顶法线坐标系LMN中对M轴有较大偏离,比较靠近L轴.deHoffmann-Teller(HT)分析指出,13个FTEs都存在一个很好的HT参考系,表明它们以一个准稳的MHD结构运动.对垂直于管轴方向的运动分析表明FTEs并不一定和背景等离子体一起对流,它们可快于或慢于背景流,但FTEs的运动和背景流基本沿相同方向,其间可有一不大的夹角.在HT坐标系中,10个FTEs的等离子体速度接近零,其他3个FTEs的等离子体速度约为局地Alfven波速的14%,都不符合Walen关系.其中北半球事件的Walen曲线为正斜率,南半球事件为负斜率,这说明等离子体沿磁力线(北半球顺着磁场,南半球逆着磁场)流向磁层.

2001年3月2日磁通量传输事件特性的研究

20 0 1年 3月 2日 1 1 :0 0至 1 1 :1 5UT期间 ,ClusterⅡ在南半球极尖区晨侧附近磁鞘内探测到 3个通量传输事件 (简称FTEs) .本文利用ClusterⅡ星簇 4颗卫星观测到的磁场和等离子体资料研究了这些通量传输事件的磁场形态和粒子特征 .并利用它们探测到的空间磁场梯度资料由安培定律直接求出星簇所在区域的电流分布 .结果指出 :(1 )BY 占优势的行星际磁场结构在磁层顶的重联可以在极尖区附近发生 ;(2 )FTEs通量管形成初期内外总压差和磁箍缩应力不一定平衡 ,达到平衡有一发展过程 ;(3)FTEs通量管截面在L M平面内的线度约为 1 .89RE;(4 )FTEs通量管中等离子体主要沿轴向场方向流动 ,整个通量管以慢于背景等离子体的速度沿磁层顶向南向尾运动 ;(5 )FTEs通量管中不仅有轴向电流 ,也存在环向电流 .轴向电流基本沿轴向磁场方向流动 .轴向和环向电流在管内均呈体分布 ,因而轴向电流产生的环向磁场接近管心时不断减小到零 ,而环向电流生成的轴向场则不断增大到极值 ;(6 )在通量管的磁鞘部分观测到磁层能量粒子流量的增强 ,这表明通量管通过磁层顶将磁鞘和磁层内部连通起来了 .

TC-1和Cluster对向阳侧磁层顶通量传输事件的联合观测研究

2004年2至4月期间,探测一号(TC-1)卫星和Cluster卫星有25次同时处在向阳侧磁层顶附近的磁鞘内,TC-1卫星在低纬区,Cluster卫星在中高纬区．利用这一期间两卫星探测到的27个通量传输事件(FTE),分析行星际磁场(IMF)横向分量B_T={B_y,B_z}对磁层顶重联发生位置的影响,以及分量重联的观测事实,得到如下主要结果．(1)当IMF南向分量B_2占优势(|B_2|＞|B_y|)时,FTE大多(约占87．5%)能在低纬观测到,而当IMF B_y分量占优势(|B_2|＜B_y)时,则FTE大部分能在中高纬观测到(占84．2%)；(2)很少观测到相关联的事件(关联事件指在低纬生成的FTE,向高纬运动中先后被TC-1卫星和Cluster卫星探测到的事件),表明在低纬形成的FTE可能大多沿磁层顶两侧滑向磁尾,只有少数可能运动到高纬地区；(3)中纬地区探测到的FTE大多是以分量重联方式产生于该区,而非来自磁赤道附近成对形成的FTE．

1982年12月20日拱形爆发日珥的数值模拟

本文对1982.12.20拱形爆发日珥进行了数值模拟,并分析了前沿减速、热传导、辐射损失和加热诸因素对爆发日珥形成过程的影响。结果表明,拱形爆发日珥与冕拱的形成过程有截然不同的动力学性质。

磁场重联中的哨声波与Hall效应

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.

地球磁尾中不同类型磁结构的磁螺度演化特征

在二维三分量MHD数值模拟的基础上 ,对地球磁尾不同类型磁结构的形成作磁螺度分析 .研究表明 ,对于由晨昏电场产生的磁尾驱动重联过程 ,通过系统边界输运的磁螺度通量是引起系统总磁螺度变化的直接原因 .不同的初始磁螺度密度分布和磁螺度通量输运 ,可以引起中性片区域磁螺度密度分布的不同演化 ,从而导致具有不同拓扑位形磁结构的形成 .

具有不同等离子体β值的Hall MHD重联中的低频波研究

数值研究具有不同等离子体β值(等离子体热压与磁压之比)的Hall MHD重联过程．对于β值在0．5≤β≤6．5的算例,稳态重联率(?)A／(?)t|st为0．15≥(?)A／(?)t|st≥0．095．本文研究β值在上述范围内的Hall MHD重联中的波动．通过快速傅里叶变换(FFT),将平面外磁场By分量和xz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．结果表明,By,vx,vz功率谱的频率范围为Ωci<ω<8Ωci,其中Ωci为离子回旋频率．随着β值增大,功率谱峰值能量降低,并且朝着低频端移动．对于电场E采用最小方差分析法(MVA)可以确定波的传播方向k,波矢k与局地磁场B之间的夹角α随β值增大而增大．对于β值最大的算例3(β=6．5),α<28°．上述结果表明,k准平行于B．为了研究波的偏振特征,在垂直于k的平面内画出E的矢端图．三个算例的矢端图均表明,波动具有右旋偏振特征,在算例1(β=0．5)中矢端图为右旋椭圆偏振,而在算例2(β=2．5)和算例3(β=6．5)中矢端图变成复杂的右旋偏振图形,这些均为哨声波的典型特征．本文的研究为快速磁重联与哨声波之间提供了一种可能的联系．

磁尾地向传播等离子体团的模拟研究

卫星观测证实了磁尾等离子体团与亚暴活动的相关性 ,除了具有北—南双极特征的尾向传播等离子体团外 ,还发现地向传播等离子体团 ,它们表现为南—北双极中性片事件和南—北双极瓣区讯号 .资料分析表明 :南—北双极讯号的出现几率远低于北—南双极讯号 ,并且南—北双极事件主要发生于行星际磁场北向和地磁宁静条件 ,它们往往与小的孤立的地磁亚暴相关 .本文根据地磁宁静时期 (IMFBz 北向且 By ≥Bz)越尾电场Ey 分量的分布特点 ,对地向传播等离子体团作模拟研究 .两类算例的数值结果展示了通量绳磁结构及具有复杂闭合磁力线位形的等离子体团的基本特征 ,上述特征与尾向传播的等离子体团类似 ,与IMP 8卫星关于地向传播南—北中性片事件的观测特征大致相符 .数值结果还展示了与Schindler示意图相类似的磁力线拓扑位形 ,在一定程度上为南—北事件出现几率低作出了解释 ;并且揭示了磁尾中性片内越尾磁场分量By 对磁重联发展的抑制作用 .本文的模拟研究说明 :无论磁尾处于活动时期 (IMFBz 为南向 ) ,还是宁静时期 (IMFBz 为北向且 By ≥Bz) 。

磁尾等离子体团型结构的数值模拟

考虑横越磁尾不同区域的数密度与离子温度的分布特点,取宁静磁尾温度、密度呈同样形态的非均匀分布,作为模拟计算的初态,对初始B_y为不同分布的3个算例作模拟计算.数值结果展示了3类磁结构的演化特征.考察磁尾中性片一个给定点的磁场变化,做出3个算例典型事件的磁场矢端图.它们从另一个侧面展示了磁尾通量绳型等离子体团、具有复杂闭合磁力线位形类似于“闭合环”的等离子体团,以及二维“磁岛”型等离子体团的特点.观测表明,多数磁尾等离子体团为具有强核心场的通量绳结构.通过跟踪一个通量绳型等离子体团的发展,作出等离子体团各方向速度与磁场强度随x演化的曲线.其中,v_x与磁场强度|B|在近尾至中尾的计算值与Geotail卫星资料统计分析结果大致相符.此外,与Jin等取初始温度为均匀分布的计算结果相比,本文给出的通量绳型等离子体团,其内温度较高、密度较低,与资料分析结果的偏离也随之减小.

地球磁尾两种不同类型磁结构形成机理

观测表明, 横越磁尾等离子体片和尾瓣的磁场By分量正比于行星际磁场By分量, 并且行星际磁场与等离子体团内By分量极性相同, 因此磁尾等离子体团应该是一个三维结构. 以两类磁静平衡解为初态, 对亚暴期间磁尾动力学过程作二维三分量模拟研究. 数值结果展示了By分量两类不同的演化特征, 它们分别与具有通量绳核心的磁结构及类似于“闭合环”的等离子体团型磁结构相对应. 由此认为, 亚暴期间在地球磁尾中出现不同拓扑位形的磁结构可能与具有不同By分量分布形态的磁场重联有关.

向阳侧磁层顶非对称驱动重联的数值研究

采用二维可压缩模型 ,数值研究向阳侧磁层顶非对称驱动重联过程 .假设初始时刻系统处于磁静平衡态 ,对交界面两则温度相同Tm0 /Ts0 =1 .0 ,而磁场强度比分别为Bm0 /Bs0 =1 .0 ,1 .5 ,2 .0 ,2 .5 ;以及两侧温度比Tm0 /Ts0 =2 .0 ,磁场强度比Bm0 /Bs0 =1 .5 ,5种情况做数值实验 (Bm0 ,Tm0 和Bs0 ,Ts0 分别表示电流片外磁层侧与磁鞘侧初始磁场与初始温度 ) .数值结果表明 :当磁鞘侧磁场取为南向时 ,在边界入流的持续作用下 ,5个算例均展示出多重气泡状磁结构的重复形成 .并且 ,一些“磁气泡”在向上运动时聚合成较大尺度的等离子体团 ,而另一些则单独地依次撤离计算域 ,从而产生具有不同尺度 ,不同时间间隔的等离子体团事件 ,清晰地表现出磁场重联的脉动式特征 .数值结果还表明 :这些多重气泡状磁结构相对周围介质而言是高温、高密度区 .它们的形成和演化可以产生法向磁场分量的双极特征或波动型变化 ,这在一定程度上反映了FTEs的观测特征 .