用非线性磁场梯度方法对空间磁结构模型的重构研究

空间等离子体中的各种磁结构的形成是空间物理过程发展的产物,理解磁结构的拓扑形态对于认识空间物理过程有着重要作用.由于磁结构的三维(Three-dimensional, 3D)图像无法直接被观测到,因此通过卫星的局地观测来重建磁结构就成为一种很重要的研究途径.迄今已发展出多种空间磁结构的重构方法,其中“非线性磁场梯度”(Nonlinear Magnetic Gradients, NMG)方法(Shen et al., 2021)能够完备地利用四颗卫星星座的磁场与电流的局地观测和物理原理来计算星座质心处磁场的一阶梯度和二阶梯度以重构出星座附近磁场的近似形态.本文采用NMG方法重构了四种与磁层磁重联相关的动理学尺度磁结构模型:(i)一维(One-dimensional, 1D)Harris电流片与地球偶极磁场的叠加,星座质心位于赤道面X=-20R_E(地球半径)和Y=0;(ii) X线重联模型,星座质心位于X点(r=0);(iii)离子尺度轴对称的磁通量绳模型,星座质心位于通量绳轴线上;(iv) 3D分形线(separator)重联模型,星座质心位于正、负零点连线的中心.本工作重点对重构结果进行细致的误差分析及检验.结果表明,在距离星座质心显著大于10倍卫星平均间距空间范围内,用NMG方法获得的这四种磁场拓扑形态均与模型磁场相符.进而,对于前三个不存在磁零点的磁结构,NMG方法可以近似重现星座周边~10倍卫星平均间距空间范围内磁场模型的数值和方向,重构结果与模型磁场基本一致.对于存在两个磁零点的分形线重联模型,在接近与两个磁零点扇形(fan)面平行的方向上,NMG方法可以近似重现星座周边~5倍卫星平均间距空间范围内的磁场,在其他方向上NMG方法仍可以近似重现星座周边~10倍卫星平均间距范围内的磁场.由此可见,NMG方法为重构空间磁结构提供了一种有效的途径.但是必须注意,对于有磁零点的磁结构,扇形面的存在,会导致重构精度降低.

不考虑磁层顶磁重联的全球三维MHD模型

本文介绍了一个新的磁层全球三维MHD模型 ,该模型可通过把IMF和地球磁场分开处理的方法“关闭”磁层顶的磁重联 ,从而可直观地显示不同IMF条件下磁层顶的IMF与地磁场的反平行区域 ,即磁重联最可能发生的地方 .结果表明 ,IMFBx 分量对磁层顶磁重联有重要影响 .由于可关闭磁重联 ,该模型还可有效地研究有无磁重联时 ,太阳风对磁层位形 (如晨 昏不对称性 )、粒子输运等重要问题的影响 ,有助于揭示磁层物理现象的基本特性 .

近地磁尾准无碰撞磁重联事件

综合分析了ClusterⅡ-C1飞船在2001年9月15日飞越地球磁尾等离子体片区的热离子和磁场观测资料.结果表明,约在0340-0440 UT时间期间,资料多次呈现出较强的尾向离子流(VXGSM<0),明显的南向磁场分量(BZGSM<0),以及明显的晨-昏向磁场分量BYGSM等特征.由此可以推断,在磁尾等离子体片中,在径向方向XGSE>-18.6 Re范围内,可能发生了多次磁重联事件,整个事件持续期约1 h.磁重联事件的观测特征与准无(或半)碰撞磁重联理论的基本图像符合一致,因此这些事件应当是准无碰撞磁重联事件.

超高速激光纹影技术测量脉冲功率驱动的磁重联现象

用超高速激光纹影技术测量了Z箍缩等离子体磁重联现象。实验采用超高速光电分幅相机,配合激光纹影技术,测量了XP-1装置上两根金属丝产生的等离子体分布,论证了超高速激光纹影技术研究Z箍缩磁重联现象的可行性。双钨丝实验结果表明,电流加载约10ns后金属丝已有明显膨胀,线性拟合得到平均膨胀速度约8km/s,金属丝内外两侧出现了规则的极有可能是垂直磁场的电热不稳定性扰动,并沿角向高度关联。铝丝负载的实验结果表明,早期的不稳定性波长为0.4mm,电流峰值之后金属丝初始位置仍有大量等离子体,后期的不稳定性波长约1.5mm。这些现象揭示了不稳定性发展的一个主要特征:短波模式受抑制,长波模式将占主导。

数值模拟日侧磁场重联对极盖等离子体云块形成的影响

极盖等离子体云块是极区空间天气重要现象之一,其形成过程是当前重要研究课题.观测表明,日侧磁场重联对应的极区电离层高速流可能对舌状等离子体(TOI)形成"切割"作用,最终形成极盖等离子体云块.伴随磁场重联,同时存在极光粒子沉降,会引起F层等离子体密度的增大,阻碍"切割"效应.本文利用耦合极区电离层模型,模拟研究电场和软电子沉降共同作用下F层等离子体密度的演化.结果表明,在局部电离层电场大于一定数值(80mV)的情况下,"切割"效应能有效发生.并详细分析了"切割"效应发生时等离子体各参量的演化过程,对"切割"效应的内在物理过程进行了探讨.

2008年1月5日磁层亚暴期间磁尾近地重联事件的THEMIS观测与分析

本文主要应用THEMIS卫星的磁场和等离子体流观测数据,分析了2008年1月5日08:51～08:57 UT亚暴膨胀相期间磁尾的一个近地重联事件.在亚暴膨胀相期间,地面的全天空成像仪清楚地记录到了极光的极向扩展,THEMIS的P5卫星在地球同步轨道附近观测到了磁场的偶极化现象.在亚暴膨胀相末期的08:51～08:57 UT期间,P3(X_(GSM)～-9.12R_E)和P4(X_(GSM)～-9.40R_E)同时观测到了一对方向相反的高速等离子体流.这对方向相反的高速等离子体流是由磁尾的重联现象所引起.重联的位置被估计位于X_(GSM)～-9.12R_E和X_(GSM)～-9.40R_E之间较小的空间范围内.并且,在重联位置的两侧,重联的Hall效应被P3和P4两颗卫星观测到.因此,这一磁尾重联事件发生在距离地球非常近的空间范围内.

太阳大气中自发磁重联的数值模拟(Ⅱ)重力、热传导下二维三分量的计算结果

在无力场中引入反常电阻，数值模拟电阻撕裂模不稳定性引起的均匀重力场中的二维三分量磁重联过程．首先研究了Vc（反常电阻模型中的临界漂移速度）和β0（气压磁压比）对磁重联的影响，结果表明：（1）在Vc大的情况下，重联率开始很小，但最终出现爆发现象．另外，温度的增加不如Vc小的情况明显。（2）Vc相同而β0不同的情况具有相似的演化特征，但β0越小，动力学过程越剧烈。（3）Vc大巨β0也大的情况不能产生爆发现象．还研究了各向同性热传导对磁重联过程及扩散区结构的影响．结果表明热传导加快磁重联速率．在无热传导的情况中，开始时温度增加迅速，重联率较低，但最终出现磁重联率迅速上升的现象．对上述结果及其在解释耀斑、日冕物质抛射及冕流等太阳大气现象方面进行了讨论．

关于磁重联区三维磁零点的卫星观测研究

磁重联是等离子体中磁场能量快速转换为粒子动能和热能的主要途径,是空间物理和等离子体物理中的重要现象。磁重联过程发生在磁场的拓扑分形面上;这种分形面一般是由磁零点附近磁场梯度张量的本征矢量确定的。磁零点的三维特性要求至少空间4点的同时测量。Cluster计划提供了迄今为止唯一的卫星测量手段。基于Poincare指数方法分析Cluster卫星在地球磁尾的探测数据,(1)找到了磁重联过程中存在4种磁零点的证据;(2)发现磁零点周围磁场的空间特征尺度大约为离子惯性长度,从而首次揭示霍尔效应可能在三维磁重联中起重要作用;(3)在重联区找到匹配的磁零点对,并计算出零点连线的长度,确定了所产生的磁场的拓扑分形面;(4)发现在零点连线附近存在低杂波频率的电磁振荡,这为磁重联过程中可能的电子加速、加热机制提供了观测基础。

模拟IMF北向且B_y分量占主导时磁层顶重联

本文基于自己开发的全球三维磁层模型,模拟研究了IMF(Interplanetary Magnetic Field)北向并且By分量较大(时钟角为60°)时磁层顶三维结构及其重联图像.结果发现,IMF By为正时,在北极隙区附近尾-昏侧存在IMF与地磁场之间稳定持续的重联现象;参与重联的地球磁场既有闭合磁力线也有开放磁力线;IMF在北极隙区与地球闭合磁力重联后一端与南磁极相连的磁力线在尾向运动时还可能与北尾瓣的开放磁力线重联而重新闭合,这种重联与磁力线循环过程不同于同一条IMF磁力线分别在南北半球与地磁场重联的模型.南极隙区的重联发生在尾-晨侧,其动力学过程与北极隙区情形类似.我们的模拟结果表明,IMF By较大时不可能发生IMF同一条磁力线分别在南北极隙区重联的情形,也不会因此而减少尾瓣的开放磁力线.

磁重联区Alfven波及新生离子的加速

利用二维混合数值模拟研究了有速度驱动、低等离子体β值情况下的磁场重联过程，结果表明磁重联过程可以产生Ａｌｆｖｅｎ波，该Ａｌｆｖｅｎ波动对重联区中的新生离子作用，使得新生离子经历投掷角散射过程，具有球壳分布特征，部分新生离子得到加速，其获得的最大能量约为４（ｍｉＶ２Ａ０／２），此加速过程所需的加速时间在１００／Ωｉ量级，是一个极快的加速机制，加速粒子能谱为双幂律谱．

用于地球磁尾三维磁重联实验的脉冲电源

空间环境地面模拟装置是哈尔滨工业大学承建的国家重大科技基础设施项目,其包含的空间等离子体环境模拟与研究系统是用于提供磁重联过程等基本物理过程的时空演化规律研究的平台。在研究地球磁尾三维磁重联时,使用处于真空环境内的偶极磁场线圈和两个磁镜场线圈来提供研究所需的模拟背景磁场,其中偶极场线圈为一个总电感为17.4 mH、总电阻为30.25 mΩ的单个线圈,而磁镜场线圈为两个线圈镜像对称设置并串联连接,总电感30.16 mH,总电阻58.81 mΩ。为了产生实验所需背景磁场的幅值和持续时间,研制并测试了两套总能量3.36 MJ的脉冲电源,在进行地球磁尾三维磁重联实验时两套电源需要同时工作。用于驱动偶极场线圈的脉冲电源按照实验需求可以在充电压不大于20 kV的情况下,能够提供超过9 kA的峰值电流,95%峰值电流的持续时间超过了5 ms,由峰值时刻降低到10%峰值时刻的时间不超过130 ms;用于驱动磁镜场线圈的脉冲电源按照实验需求可以在充电压不大于20 kV的情况下,能够提供超过8 kA峰的值电流,95%峰值电流的持续时间超过了5 ms,由峰值时刻降低到10%峰值时刻的时间不超过130 ms。

太阳大气中磁重联的MHD数值模拟

回顾了近３０年太阳大气中碰重联过程的ＭＨＤ数值模拟工作（包括计算方法及研究结果两方面）取得的进展。着重描述了在验证理论模型、解释观测现象，以及研究各种因素对重联的影响三个方面的成果，如快速磁重联、太阳耀斑机制及色球、日冕中的各种爆发现象等。指出了在数值模拟中应注意的几个问题，并对该领域今后的发展作了简要的展望。

IMF北向时磁层顶重联的模拟研究

本文基于自己开发的全球三维磁层模型,模拟研究了IMF(Interplanetary Magnetic Field)北向时磁层顶重联及磁尾结构.结果发现磁层顶附近存在两种典型的重联过程:一是高纬极尖区IMF与地球磁场的重联,这与空间观测证据和前人的模拟结果是一致的;二是重联后一端在太阳风中另一端与地球相连的磁力线在向磁尾运动中,会发生弯曲、拖曳,在磁尾晨昏侧低纬区域可与尾瓣开放磁力线满足重联条件而再次发生重联.我们认为前一重联会使磁尾等离子片产生与IMF时钟角方向相反的旋转;而后者可重新形成闭合磁力线,可能是LLBL(Low Latitude Boundary Layer)形成的重要原因.

磁重联X线附近区域的等离子体结构分布及其演化

高能电子是磁重联中产生的重要现象,卫星Wind和Cluster在磁重联的多个区域都观测到了高能电子。针对X型磁重联,结合粒子动力学方程的部分解析表达式和Hall MHD计算机数值模拟结果,研究了X线附近区域的电子和离子运动的分离特性,得到了该区域垂直重联平面的磁场分量和速度分量随时间的演化特征。研究结果表明,磁重联过程中起支配作用的电子的运动是高度结构化的,受多种因素作用,其运动速度呈现非线性变化的特点,在垂直重联平面z方向的磁场分量和速度分量都存在拐点,拐点前后磁重联的电场分量的波动特性有明显差异。

太阳爆发过程中的大尺度磁重联电流片:理论和观测

从理论和观测两个方面来介绍和讨论出现在太阳爆发过程中的磁重联电流片及其物理本质和动力学特征。首先介绍在理论研究和理论模型中,磁重联电流片是如何在爆发磁结构当中形成并发展的,对观测研究有什么指导意义。然后介绍观测工作是从哪几个方面对理论模型预测的电流片进行证认和研究的。第三,将介绍观测研究给出了哪些过去所没有能够预期的结果,这些结果对深入研究耀斑一CME电流片以及其中的磁重联过程的理论工作有什么重要的、挑战性的意义。第四,讨论最新的与此有关的理论研究和数值实验。最后,对未来的研究方向和重要课题进行综述和展望。

磁重联选工艺研究与实践

介绍了磁重联选工艺的研究、发展和应用情况以及磁重联选新工艺的技术特点、分选原理和据此开发的新设备——永磁磁聚机和磁重脉动精选机的结构、磁场特性及其应用效果。经过多年的生产实践表明,磁重联选新工艺可有效剔除铁矿物中的贫连生体,是选矿厂提铁降硅及实现提高精矿品位的有效手段。它与提铁降硅常用方法反浮选相比,具有工艺简单、控制方便,不需药剂、动力及对环境无污染等特点,可有效降低成本,并实现清洁生产。

计算机数值模拟稳态磁场重联

本文采用二维三分量(2.5维)混合模拟方法研究了Petschek模型下,重联区X线周围关于电流片对称的矩形区域内的磁场重联过程中磁场的演化过程。研究发现磁场重联后形成了突出的隆起状磁场位形,在X中性点附近的一个很小的区域内,磁场分量出现了四极形分布特征。

无碰撞磁重联现象的电子动力学研究

基于磁流体力学理论,通过双流体MHD方程组,使用专业电磁流体数值仿真模拟软件Usim,研究了无碰撞等离子体磁重联过程中电子的动力学行为,得到了电子的数密度与流速的空间分布.结果表明,重联面内的电子数密度分布区域与速度分布区域相吻合,四极型磁场结构可以表征Hall的电流存在.此外,无碰撞等离子体中Hall电流的存在将使得磁重联现象的重联率大大提高,这对研究快速磁重联的产生机制有着重要的意义.

太阳活动区磁重联过程中电场加速高能电子分布的演化特征

基于活动区暗条快速上升后其下方电流片重联过程中产生强电场加速电子这一物理过程 ,解包括库仑碰撞和离子声湍动散射的Fokker Planck方程 ,获得电子分布函数的演化特征 .计算结果表明 :( 1 )当电场强度为 1— 1 0V·cm- 1 时 ,在 1 0 - 5— 1 0 - 6s可将电子加速到( 0 .1— 1 )Mev量级 ;( 2 )被加速电子近似呈幂律谱分布 ,其谱指数与耀斑脉冲相微波和硬X射线推断的电子谱指数基本吻合 .

太阳耀斑磁重联的数值模拟

数值模拟了太阳耀斑中二维磁重联过程。结果表明，当重联Ｘ 点比较高时，演化过程能再现双带耀斑中耀斑环的运动等主要特征；当重联Ｘ 点比较低时，可解释致密耀斑的观测特征。结果还表明，耀斑环上升和重联点上升之间没有直接的联系。