磁場重聯(lián)中動(dòng)理學(xué)阿爾芬波的三維混合數(shù)值模擬研究.pdf

1、磁場重聯(lián)是空間等離子體、低溫等離子體以及聚變等離子體中一種常見的磁場拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變的現(xiàn)象，伴隨著顯著的能量交換，是等離子體加速、加熱以及一些不穩(wěn)定性的重要驅(qū)動(dòng)因素。在對磁場重聯(lián)的衛(wèi)星觀測研究中，發(fā)現(xiàn)了很多大尺度的磁流體力學(xué)波以及一些小尺度的動(dòng)理學(xué)波，其中，阿爾芬波是一種很重要的磁流體波。衛(wèi)星觀測表明，在磁層和電離層的耦合過程中，阿爾芬波起著重要作用。不過，因?yàn)闆]有平行于磁場方向的電場擾動(dòng)，阿爾芬波不能解釋在地磁亞暴期間磁層與電離層耦合過程

2、中，帶電粒子在平行方向上的加速現(xiàn)象。此外，衛(wèi)星觀測也發(fā)現(xiàn)在重聯(lián)過程中，存在著整體流速大于阿爾芬速度的帶電粒子流。這說明，存在著某種機(jī)制可以突破傳統(tǒng)的阿爾芬波速度的限制。研究表明，當(dāng)存在離子回旋半徑尺度上的垂直擾動(dòng)時(shí)，阿爾芬波會(huì)被離子的動(dòng)理學(xué)效應(yīng)修正，成為有色散的波，即動(dòng)理學(xué)阿爾芬波(KAW)。KAW可以以超阿爾芬(super-Alfvénic)速度沿著磁場傳播，同時(shí)具有平行方向的電場擾動(dòng)，也會(huì)攜帶著平行方向的能量通量。所以，KAW可能對

3、重聯(lián)中的高速粒子的形成有一定的作用，也可以為粒子在平行方向的加速提供合理解釋，還可以為亞暴期間極區(qū)極光增亮現(xiàn)象提供能量來源。所以，磁場重聯(lián)中的阿爾芬波的動(dòng)理學(xué)修正具有重要的研究意義。此外，衛(wèi)星觀測的研究還指出，磁尾的爆發(fā)性整體流(BBFs)與各種獨(dú)立尺度X線的重聯(lián)過程是磁尾能量輸運(yùn)的主要過程。所以，對不同X線尺度的重聯(lián)研究也具有重要意義。衛(wèi)星觀測研究發(fā)現(xiàn)了空間中KAW存在的證據(jù)，并且認(rèn)為這與重聯(lián)過程有關(guān)。但是，目前對重聯(lián)中KAW的數(shù)值模

4、擬研究工作，特別是，對三維重聯(lián)中KAW的產(chǎn)生與特性、傳播與阻尼過程以及能量傳遞過程的研究還比較少。此外，重聯(lián)中產(chǎn)生的KAW在等離子體加速與加熱現(xiàn)象中是否具有重要的作用以及加熱的物理機(jī)制等問題也是尚待研究的重要問題。
　　等離子體的混合模型，即將離子視為具有完全動(dòng)理學(xué)效應(yīng)的粒子，而將電子視為無質(zhì)量的流體，可以有效地描述離子尺度的物理過程，同時(shí)也可以對更大的空間尺度進(jìn)行模擬。本文通過三維混合的局域模型，模擬了多種導(dǎo)向場強(qiáng)度與X線長度下

5、的磁場重聯(lián)過程，并對其中動(dòng)理學(xué)阿爾芬波的產(chǎn)生與判定、波結(jié)構(gòu)的特性、傳播與阻尼過程、能量傳遞過程及其在粒子加速和加熱現(xiàn)象中的作用等重要問題進(jìn)行了系統(tǒng)地研究。主要的結(jié)果如下:
　　(1)無限長單X線重聯(lián)中的KAW
　　在無限長單X線的重聯(lián)中，發(fā)現(xiàn)無論是否存在導(dǎo)向場，重聯(lián)的擾動(dòng)結(jié)構(gòu)都是具有二維特征的。在重聯(lián)隆起的區(qū)域，發(fā)現(xiàn)了動(dòng)理學(xué)阿爾芬波擾動(dòng)結(jié)構(gòu)的存在。這個(gè)擾動(dòng)從X線中產(chǎn)生，快速地沿著磁場傳播出去，并在隆起區(qū)附近的分型線處形成一個(gè)

6、拉長的結(jié)構(gòu)，具有較高的垂直波數(shù)。通過對擾動(dòng)結(jié)構(gòu)的特性、傳播速度以及極化關(guān)系的分析與討論，發(fā)現(xiàn)這個(gè)擾動(dòng)結(jié)構(gòu)是KAW。當(dāng)導(dǎo)向場為零時(shí)，在重聯(lián)區(qū)中的離子擴(kuò)散區(qū)附近，垂直重聯(lián)面磁場分量具有霍爾四極結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。在這一區(qū)域中，也發(fā)現(xiàn)了哨聲波模的存在。它們是準(zhǔn)穩(wěn)定的，并且不會(huì)傳播。哨聲模和KAW都是從X線中產(chǎn)生，并且同時(shí)存在，只是不在相同的區(qū)域中。當(dāng)導(dǎo)向場不為零時(shí)，離子擴(kuò)散區(qū)附近的霍爾四極磁場分量以及哨聲模結(jié)構(gòu)都不再存在。此外，還通過坡印廷通量研究了

7、動(dòng)理學(xué)阿爾芬波所攜帶的能量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)導(dǎo)向場為零時(shí)，動(dòng)理學(xué)阿爾芬波可以攜帶約7.5％-8％釋放的磁能;而當(dāng)導(dǎo)向場不為零時(shí)，波可以攜帶約為18.6％釋放的磁能。當(dāng)存在一定強(qiáng)度的導(dǎo)向場時(shí)，阿爾芬波?？梢詳y帶的能量幾乎是不存在導(dǎo)向場時(shí)的2倍左右。這說明，導(dǎo)向場的存在可以在局域加強(qiáng)阿爾芬波模的幅值。
　　(2)有限長單X線與多X線重聯(lián)中的KAW
　　當(dāng)存在單一有限長X線且存在一定強(qiáng)度的導(dǎo)向場時(shí)，磁場重聯(lián)中的擾動(dòng)結(jié)構(gòu)是三維的。發(fā)現(xiàn)，

8、此時(shí)，在下游出流區(qū)的分型線附近，依然存在著具有動(dòng)理學(xué)阿爾芬波特性的擾動(dòng)結(jié)構(gòu)。通過對其特征尺度、傳播與色散關(guān)系的分析，同樣證實(shí)其為KAW擾動(dòng)。通過追蹤峰值的傳播，研究了KAW的阻尼。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，KAW擾動(dòng)存在衰減的跡象，并且擁有約為-0.0035--0.0062的阻尼率。不過在這個(gè)阻尼率下，KAW是可以從磁尾重聯(lián)X線附近攜帶者能量傳播到電離層中的。此外，研究了導(dǎo)向場強(qiáng)度的作用并且發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)向場大小對重聯(lián)區(qū)的擾動(dòng)結(jié)構(gòu)有影響。此外，當(dāng)導(dǎo)向場強(qiáng)度適

9、中時(shí)，KAW會(huì)攜帶更高的能量通量與能量。最后，還研究了三維多X線重聯(lián)中的波動(dòng)結(jié)構(gòu)。通過對比分析，發(fā)現(xiàn)其中每個(gè)X線的擾動(dòng)結(jié)構(gòu)都與單X線重聯(lián)中的KAW的結(jié)構(gòu)相似，可以將單X線重聯(lián)中分析的結(jié)果用于解釋多X線重聯(lián)中的波動(dòng)現(xiàn)象。此外，通過將模擬結(jié)果與衛(wèi)星觀測的結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)在KAW的極化、譜密度分布、能量輸運(yùn)以及對離子的加熱率等方面都比較一致。
　　(3)KAW對離子的加速與加熱
　　通過記錄波在傳播路徑上不同區(qū)域的離子速度分布，

10、發(fā)現(xiàn)，當(dāng)波到達(dá)某個(gè)區(qū)域時(shí)，離子的速度分布不再是麥克斯韋分布，在平行方向上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)被加速的離子束，并且具有和波的相速度大小相等的整體流速。除此之外，在離子的速度分布的變化中，還發(fā)現(xiàn)了離子可以在平行與垂直方向上被加熱的現(xiàn)象。在波剛剛經(jīng)過離子所在區(qū)域時(shí)，離子會(huì)被加速。此時(shí)，由于離子的平行速度尚且較小，回旋共振或分?jǐn)?shù)共振條件仍然近似滿足。于是，離子在垂直方向上被隨機(jī)加熱。隨著離子在平行方向上被不斷地加速并達(dá)到波的相速度大小，離子會(huì)被波場捕獲。

11、此時(shí)，朗道共振取代回旋或分?jǐn)?shù)共振，在平行方向上對離子進(jìn)行加熱。對于全部離子來說，由于波擾動(dòng)不斷地產(chǎn)生并不斷地加速背景離子，離子的垂直與平行方向的加熱可以同時(shí)出現(xiàn)。此外，還發(fā)現(xiàn)離子束與背景等離子體之間存在著相互作用。這種相互作用會(huì)通過消耗離子能量來激發(fā)離子束不穩(wěn)定性，從而使離子垂直溫度出現(xiàn)短暫下降。當(dāng)兩個(gè)離子束融合為一后，離子束不穩(wěn)定性的影響逐漸減弱，波與離子的非線性相互作用再一次加熱離子，使得離子的溫度再次上升?？偨Y(jié)來說，KAW對離子加

12、速與加熱的證據(jù)有以下幾點(diǎn):一是離子平行速度可以被加速到KAW相速度的大小;二是KAW的阻尼率與離子束的加熱率在數(shù)值上是一致的;三是離子的垂直溫度與KAW的特征電磁場擾動(dòng)之間存在著相關(guān)的變化關(guān)系。
　　通過以上研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)了重聯(lián)過程中動(dòng)理學(xué)阿爾芬波的主要特點(diǎn)，即廣泛地存在于重聯(lián)的隆起區(qū)域，具有較大的垂直波數(shù)，以略高于阿爾芬速度的速度沿著磁場方向傳播，并在這一過程中可以通過不同的機(jī)制引起離子的加速與加熱現(xiàn)象。這些結(jié)果有助于解釋衛(wèi)星觀