剪切流影响磁重联过程的几个现象研究

论文摘要

磁场重联是等离子体物理研究的基本现象之一,它是许多重要空间物理现象和磁约束核聚变问题的重要理论基础。通过磁重联,磁场的几何拓扑发生了改变,并伴随磁场能量向粒子能量的转换,形成高速的等离子体束流喷射。自从磁重联理论提出以来,已经得到很多学者的不断完善。但是因为所讨论问题的复杂性,以及空间和实验室里目前的观测手段都十分有限,所以对某些很重要问题的理解还存在不少争议。由于能量原理很难处理稳态平衡剪切流存在时的不稳定性问题,因此大多数磁重联理论模型仍限于从静态平衡的初始条件出发。然而剪切流在磁场重联的过程中又是非常重要的,比如聚变装置中的稳定撕裂模和压制磁岛生长等过程。数值模拟作为理论与实验观测之间的桥梁,对于解释复杂的非线性物理过程是一种非常行之有效的办法。本论文从磁流体动力学（MHD）模型出发,采用数值模拟的方法对磁场重联问题展开讨论。着重模拟了环向剪切流、极向剪切流对磁重联的影响,同时霍尔（Hall）效应和导向场也作为重要的因素被考虑其中,并得出了一些有意义的结论,尤其进行了不同情况下的Hall四极场的可观测性分析。本论文由以下6部分组成。第一章,介绍了磁重联的背景。包括问题的提出、来源、学科发展史以及目前国内外的研究概况。并从空间探测与实验室托克马克（Tokamak）装置两个方面简要阐述了磁重联研究的应用前景,面临的挑战以及亟待解决的问题。第二章,主要介绍了本文在磁重联研究中使用的数值处理方法,着重介绍了MHD的模拟过程以及对模拟结果的解释与诊断。在磁层和行星际等离子体中经常可以观测到垂直于反平行磁场重联平面的剪切流。第三章,我们采用电阻MHD模型模拟了受迫磁重联电流片的非线性演化,讨论了这种垂直磁重联平面的剪切流对磁重联的影响。模拟结果发现在不考虑Hall效应时这种剪切流可以产生双极或者四极结构的垂直平面磁场分布。这种四极结构与典型的Hall-MHD重联中平面内电子回流过程产生的四极结构极其相似。这个结果将对以往的对于空间等离子体的快速磁重联现象的卫星观测判据提出新的挑战和思路。基于第三章的结论,为了更好的弄清楚重联过程中的这种剪切流效应,在第四章中,我们采用Hall-MHD模型研究了Hall效应与剪切流效应共同存在时的重联过程。通过模拟发现垂直平面的四极磁场分量可以由两种效应共同产生,并且能够互相叠加产生出新的磁场分布。在第五章中讨论了一些与第三章和第四章相关的问题。（1）研究了导向场的空间分布效应。在这一部分定义了两个作为比较的无量纲参数:导向场强度参数α和导向场剪切长度参数χ。通过模拟发现重联过程随着导向场的增强以及χ的增加而减慢。（2）首先采用和可压缩Hall-MHD模型讨论了无力场近似下撕裂模不稳定性的非线性演化,并与Bian和Vekstein近期的线性理论结果进行了比较。（3）研究了不同导向场分布下所能产生的四极结构分量。并讨论了卫星观测中,对于（2）和（3）情况下实际四极场的可观测性研究。第六章,讨论了极向剪切流驱动Alfvén共振的问题及其应用。日冕加热问题近几十年一直是太阳物理和空间物理难以解决的问题。人们设想了欧姆加热和波加热等多种加热机制,试图来解释日冕加热现象。但无论哪种加热模型中,磁场的小尺度变化效应都是很重要的。如果此时剪切流足够强,就可能激发Alfvén共振并形成薄电流片。这样欧姆加热和电流片中的波加热都可以为日冕加热提供足够的加热来源。最后以工作成果总结全文并对所研究领域提出前景展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 磁场重联的概念
• 1.1.2 磁场重联的分类
• 1.2 磁场重联的理论模型与基本假设
• 1.2.1 等离子体的磁冻结与磁扩散效应
• 1.2.2 磁场重联的理论模型
• 1.2.3 磁场重联的数值方法
• 1.3 磁场重联在空间探测中的应用与研究进展
• 1.3.1 太阳等离子体中的磁场重联
• 1.3.2 地球磁层中的磁场重联
• 1.3.3 研究进展
• 1.4 磁场重联在 Tokamak装置中的应用与研究进展
• 1.4.1 Tokamak磁场位形
• 1.4.2 撕裂模不稳定性
• 1.4.3 研究进展
• 1.5 全文主要研究内容与安排
• 2 磁场重联的MHD数值处理过程
• 2.1 方程组的建立
• 2.2 偏微分方程组的数值解
• 2.2.1 方程的空间处理
• 2.2.2 方程的时间处理
• 2.2.3 方程组的归一化
• 2.2.4 定解条件的确立
• 2.3 模拟结果
• 2.3.1 非方程物理量的推导
• 2.3.2 重联过程中物理量的诊断
• 3 环向剪切流对电阻 MHD磁场重联的影响
• 3.1 研究背景
• 3.1.1 空间等离子体中的剪切流
• 3.1.2 实验室等离子体中的剪切流
• 3.1.3 环向剪切流
• 3.2 模型建立
• 3.2.1 初始条件
• 3.2.2 基本方程
• 3.2.3 边界条件
• 3.3 数值结果
• 3.3.1 平行剪切流
• 3.3.2 垂直剪切流
• 3.4 结果讨论
• 4 环向剪切流对 Hall-MHD磁场重联的影响
• 4.1 研究背景
• 4.1.1 磁场重联中的Hall效应
• 4.1.2 环向剪切流与载流子
• 4.2 模型建立
• 4.2.1 初始条件
• 4.2.2 基本方程
• 4.2.3 边界条件
• 4.3 结果讨论
• 4.3.1 垂直平面的磁场扰动
• 4.3.2 重联率的变化
• 4.3.3 结论
• 5 垂直平面磁场分量的相关讨论
• 5.1 导向场在磁场重联中的作用
• 5.1.1 研究背景
• 5.1.2 模型建立
• 5.1.3 结果讨论
• 5.2 二维磁场重联中垂直平面磁场扰动分量的可观测性研究
• 5.2.1 研究背景
• 5.2.2 模型建立
• 5.2.3 结果讨论
• 6 极向剪切流驱动的Alfvén共振
• 6.1 研究背景
• 6.1.1 太阳大气与日冕加热
• 6.1.2 电阻加热
• 6.1.3 波加热
• 6.2 模型建立
• 6.2.1 初始条件
• 6.2.2 基本方程
• 6.2.3 边界条件
• 6.3 结果讨论
• 6.3.1 Alfvén共振的物理特性
• 6.3.2 Alfvén共振加热与Lundquist数的关系
• 6.3.3 Alfvén共振加热与磁场重联的关系
• 6.3.4 讨论
• 结论
• 参考文献
• 创新点摘要
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
• 作者简介