行星际激波与地球磁层作用的全球MHD数值模拟

论文摘要

本文开展太阳风—磁层—电离层系统的全球磁流体力学（MHD）数值模拟研究，依次分析电离层处理、定态磁层结构、行星际（IP）激波对磁层的作用，以及由此产生的电离层响应，并将模拟结果和相关观测事实进行比较。 对电离层采用球壳近似和静电描述，假定Pedersen电导率均匀，忽略Hall电导：磁层给电离层提供场向电流（FAC），作为电离层电场的驱动源。通过求解电离层电势满足的椭圆型方程，求得由场向电流产生的电势分布。该电势分布沿偶极场力线映射至内磁层，引起电场漂移，驱动磁层对流。我们联合使用傅里叶变换和三对角代数方程组的追赶法求解电离层电势方程，并通过一个简单例子对计算程序进行检验，所得到的数值解和解析解精确符合。 结合上述电离层—磁层耦合模型，采用已发展的PPMLR-MHD全球模拟算法，就准定态磁层—电离层大尺度结构进行模拟研究。分别针对北向和南向行星际磁场（IMF）情况，求得定态磁层数值解和电离层电势分布。对于北向IMP情况，地磁场处于全闭合状态，磁重联发生在极尖区附近尾向一侧，电离层出现多涡旋对流结构。对于南向IMP情况，地磁场处于部分开放状态，磁重联发生在向阳侧磁层顶和磁尾，电离层出现典型的双涡旋对流结构。两种IMF条件下的磁层结构存在显著区别。上述结果与前人定性估计或数值模拟得到的结果基本一致。 为模拟磁层一电离层系统对行星际（IP）激波的动力学响应，我们取Parker螺旋场（Bz=0）下的定态解作为初态。该初态可通过下述两个步骤获得。首先，通过时变数值模拟，找到仅存在IMF南北（Bz）分量情况下的定态解；然后，从该定态解出发，引入合适的切向间断，让其与磁层—电离层发生相互作用，最终获得所要求的定态解。从上述初态出发，在磁层前方引入IP激波。该激波依次作用于弓激波、磁鞘、磁层顶和内磁层，改变着磁层的几何形状和物理结构。进入电离层的FAC也因此发生变化，导致电离层电势分布的相应变化，并通过向内磁层反馈电场，对磁层对流产生影响。通过比较磁层—电离层对两个动压相同但传播方向不同的IP激波的响应过程，着重分析了IP激波取向对作用后果的影响。结果表明，两激波对磁层具有类似的压缩效果，引发相近的磁层内磁场强度和FAC的抬升。然而，IP激波取向对磁层响应的演化过程具有重要影响。对于沿日地线方向传播的IP激波，磁层响应过程快，激波阵面总体上沿着日地线传播；对于激波传播方向偏离日地线的情况，磁层响应经历的过渡时间显著加长，进入磁层内部后的激波阵面具有更为复杂的形状。这些结果表明，在解释激波—磁层作用

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 地球磁层
• 1.2 行星际激波
• 1.3 场向电流
• 1.4 磁层-电离层耦合
• 1.5 磁层模拟
• 1.6 行星际间断与磁层作用
• 1.7 研究目标
• 第二章 磁层MHD全球模拟
• 2.1 MHD方程组
• 2.1.1 欧拉守恒型方程
• 2.1.2 拉格朗日守恒型方程
• 2.1.3 欧拉非守恒型方程
• 2.2 计算格式
• 2.3 磁场处理
• 2.4 人为耗散
• 2.5 基本参数和计算单位
• 2.5.1 电离层和太阳风参数
• 2.5.2 计算单位制
• 2.6 解域和网格
• 2.7 初始和边界条件
• 2.7.1 内边界
• 2.7.2 外边界
• 2.7.3 初始磁场
• 2.7.4 初始等离子体分布
• 2.8 小结
• 第三章 电离层的处理
• 3.1 基本方程
• 3.1.1 电导率张量
• 3.1.2 电势方程
• 3.2 解域与边界
• 3.2.1 解域
• 3.2.2 差分方程
• 3.2.3 边界条件
• 3.3 算例
• 3.3.1 解析解
• 3.3.2 数值解
• 3.4 小结
• 第四章 定态磁层
• 4.1 北向IMF
• 4.2 南向IMF
• 4.3 小结
• 第五章 行星际激波与磁层相互作用
• 5.1 物理模型
• 5.1.1 解域和初态
• 5.1.2 切向间断
• 5.1.3 任意取向的行星际激波
• 5.2 数值结果
• 5.3 小结
• 第六章 行星际激波引起的地球电离层响应
• 6.1 物理参数
• 6.2 电离层响应
• 6.3 激波强度的影响
• 6.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、发表论文