行星际扰动和电流片相互作用的数值模拟研究

论文摘要

日冕区的冕流结构或日球电流片是行星际空间中很特殊的结构,CME的爆发与日冕区的冕流结构密切相关。CME引起的行星际激波在行星际空间的传播都要受到日球电流片的重要影响。磁重联是发生在电流片内的重要物理过程,是磁场能量转化和释放的一种重要方式。论文主要从两个方面研究了太阳风扰动和电流片的相互作用:其一,对爆发在两冕流结构间的CME的传播特点进行了MHD数值模拟研究;其二,对磁重联过程中的Hall效应进行了数值模拟研究和理论分析,从扰动和电流片相互作用的角度初步探讨了Hall效应的一些特征。一方面,本文对爆发在两冕流结构之间开放磁场的CME进行了数值模拟,研究了扰动和电流片之间的相互作用。SMM飞船在太阳峰年曾经观测到了爆发在两冕流结构之间开放磁场中的CME独特的传播特征以及相应的冕流结构的畸变和偏转。本论文采用了2.5维MHD方程,用数值模拟方法研究了CME和冕流结构之间复杂的相互作用。模拟结果不但展现了SMM飞船的观测结果,而且还发现了一个新的现象:在冕流结构和CME的相互作用中,冕流结构内部轴向磁场分量方向反转。另一方面,本文运用Hall MHD方程还对磁重联过程中Hall效应进行了数值模拟研究和理论分析。磁重联过程中,Hall效应在等离子体内电子和离子的脱耦方面发挥着重要作用。本论文对二维不可压缩的MHD方程进行了修正,在感应方程中考虑了Hall项。然后运用该方程对磁重联过程中的Hall效应进行了数值模拟,研究了扰动和电流片相互作用下的Hall电场结构及其变化特点。有关Hall电场结构的数值模拟结果和理论分析结果一致。这种Hall电场结构清楚地显示了Hall效应中电子和离子的脱耦现象。本文从该项的数值模拟结果和理论分析结果中得出了一个新结论:Hall效应能导致磁重联点附近的能量电子积聚。这个结论有Geotail飞船的观测结果和磁重联的Tokamak实验结果的支持。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 太阳和行星际空间
• 1.3 日冕物质抛射（CME）和行星际激波
• 1.4 行星际激波（或CME）和电流片的相互作用
• 1.4.1 CME 的爆发和冕流结构的关系
• 1.4.2 行星际激波的传播受日球电流片的影响
• 1.4.3 磁重联过程中的Hall 效应
• 1.5 本论文所做的工作
• 第二章 爆发在两冕流结构间的 CME 的2.5 维 MHD 数值模拟
• 2.1 引言
• 2.2 事件的观测特征
• 2.3 数值模拟方法
• 2.3.1 太阳风流场的初始值
• 2.3.2 太阳风的背景场
• 2.3.3 加入扰动源
• 2.4 数值模拟结果
• 2.4.1 CME 的传播特征和冕流结构畸变
• 2.4.2 冕流结构轴向磁场分量反转
• 2.5 结果讨论
• 第三章 磁重联过程中 Hall 效应的数值模拟
• 3.1 引言
• 3.2 事件观测结果
• 3.3 对不可压缩的MHD 方程的修正
• 3.4 数值模拟方法
• 3.4.1 边值条件
• 3.4.2 流场及磁场的初始值
• 3.5 磁重联过程中Hall 电场结构
• 3.6 Hall 效应中磁重联区电子和离子的脱耦现象
• 3.7 结果讨论
• 第四章 磁重联过程中 Hall 效应的初步分析
• 4.1 磁力线所在坐标系中的Hall 电场表达式及其特征
• 4.2 扰动和电流片相互作用中的磁场运动特征
• 4.3 磁重联过程中磁重联点附近的能量电子积聚
• 4.4 Hall 效应和磁重联的哨声波驱动理论
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 博士期间发表的论文
• 致谢