无碰撞磁场重联的粒子模拟研究

论文摘要

在许多快速，宏观的等离子体物理过程当中，磁场重联都扮演着关键性的角色。因此对磁场重联的深入研究是非常必要的。数值模拟是一种基于计算机技术的研究物理过程的方法，而粒子模拟又是其中最直观的一种，它是以牛顿定律和麦克斯韦方程组为基础，通过统计的方法计算模拟空间的电磁场，然后将场作用于粒子之上，推动并加速粒子。经过多次循环从而完成整个系统的演化。我们通过使用空间二维粒子模拟模型对无碰撞磁场重联进行了研究，得到了一些有意思的结果。对周期性边界条件下磁场重联的研究发现，在初始电流片对称的情况下：（1）电子沿分离面流出重联区，且关于电流片对称；（2）在分离面附近的垂直电场Ez的值很小，其空间尺度远大于局域的电子的德拜长度；（3）空间导向磁场By呈现明显的4极结构。在初始垂直电流片方向存在温度梯度，即电流片为非对称的情况下：（1）在高温低密度一侧（磁层侧），电子沿分离面快速流出重联区，形成一个很强的Jet；而在低温高密度的一侧（磁鞘侧）没有出现这种Jet；（2）在磁层侧分离面附近出现一个很强的正的垂直电场Ez结构，其空间尺度很窄，与局域的电子德拜长度同一量级。在电流片两侧温度比为Tαs／Tαm=0．2的情况下，该垂直电场的半高宽度约为局域电子德拜长度的三倍，在磁鞘侧没有观察到这种结构；（3）导向磁场By呈现双极结构且主要分布在磁鞘侧。这些垂直电场和导向磁场结构在2004年一月极轨卫星（Polar satellite）穿越磁层顶过程中被观测到。在周期性边界条件的粒子模拟模型的基础上，我们开发了边界完全开放的粒子模拟程序。对开放边界条件下磁场重联的研究发现：（1）对入流区磁场使用0梯度（ZG）边界条件，等离子体和磁场不能有效进入系统，重联率会持续下降。如果使用电磁波（EM）和磁声波（MS）作为边界条件，系统均能够达到一个准稳态，EM边界条件下的稳态重联率Er≈0．08要低于MS边界条件下的Er≈0．13；（2）在初始电流片半厚度给定为一个离子的趋肤深度的情况下，重联率的峰值独立于系统的长度，而准稳态时重联区长度与系统长度满足线性关系，因而重联率与系统长度的倒数成线性关系；（3）在初始系统尺度给定为Lx×Lz=50di×25di的情况下，重联率的峰值与初始电流片厚度的关系基本满足log10Er～log10（di／a）1/2，且在a≥2di的系统中容易出现二级磁岛，重联趋向于间歇式的。

论文目录

• 摘要
• Abstract（英文摘要）
• 目录
• 第一章 绪论—磁场重联
• 1.1 概述
• 1.2 磁场重联的基本理论
• 1.2.1 磁场重联的物理图像
• 1.2.2 理想磁流体与磁冻结
• 1.2.3 欧姆定律与磁扩散
• 1.2.4 磁场重联的理论模型
• 1.2.4.1 稳态重联模型:Sweet-Parker模型
• 1.2.4.2 稳态重联模型:Petscheck’s模型
• 1.2.4.3 非稳态重联模型:撕裂模不稳定性
• 1.2.4.4 无碰撞磁场重联:Hall磁重联
• 1.3 磁场重联的研究历史和有待解决的问题
• 第二章 二维磁感应粒子模拟模型（Darwin Model）
• 2.1 概述
• 2.2 基本方法:粒子云-网格法（particle in cell）
• 2.3 2维磁感应模型（Darwin Model）
• 2.4 系统演化方程
• 2.5 磁感应模型的计算步骤
• 2.6 小结
• 第三章 周期边界条件下密度对称系统中的二维无碰撞磁场重联
• 3.1 概述
• 3.2 初始状态及边界条件
• 3.3 重联过程描述
• 3.4 重联区垂直电场结构
• 3.5 重联区流场结构
• 3.6 导向磁场的四极分布
• 3.7 小结
• 第四章 周期边界条件下密度非对称系统中的二维无碰撞磁场重联
• 4.1 概述
• 4.2 初始状态及边界条件
• 4.3 磁场位形
• 4.4 重联区垂直电场结构
• 4.5 重联区流场结构
• 4.6 导向磁场的二极分布
• 4.7 重联率比较
• 4.8 小结
• 第五章 开放边界系统中的二维无碰撞磁场重联
• 5.1 概述
• 5.2 周期性边界条件下的重联率
• 5.3 开放边界条件下重联率的研究
• 5.4 开放边界条件下不同长度系统中重联率的比较
• 5.5 开放边界条件下不同初始电流片厚度系统中的重联率比较
• 5.6 小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果