各向异性等离子体中磁场重联的混合模拟研究

应用二维三分量混合模拟方法数值研究了各向异性等离子体中的磁场重联过程．计算结果表明，当等离子体垂直于磁场方向的压强大于平行方向的压强时(P⊥／P∥＝1．5)，等离子体不稳定性的增长率会大大增强，重联速度也会加快；当等离子体垂直方向的压强小于平行方向的压强时(P⊥／P∥＝0．6)，会出现火蛇管不稳定性，将抑制撕裂模不稳定性和磁场重联过程．     

日冕冲浪形成的磁流体动力学模拟

应用二维时变可压缩磁流体动力学模拟,数值研究了双极-单极磁场中电阻撕裂模不稳定性引起的磁场重联过程,用于模拟日冕冲浪的形成.结果表明,在包含有三区——双极场、电流片和单极场的磁静力平衡初态下,双极场和单极场中的磁力线将会直接重联,磁场演变成鞭状(whip)结构.由弯曲磁力线支撑的等离子体团向上运动到最高位置后,逐渐下落和弥散.等离子体团上升速度可达到0.10v_A(v_A为双极场中的Alfv'én速度).模拟结果证实日冕冲浪的形成可能与双极-单极场中的磁场重联密切相关.      

等离子体彗尾动力学的数值研究

本文基于可压缩磁流体动力学模型,数值研究了尾瓣巾具有超Alfven速流动的等离子体彗尾的动力学特征。结果表明,等离子体片和尾瓣之间的剪切等离子体流动将会激发流动撕裂模不稳定性,引起彗尾等离子体片中发生磁场重联,形成磁岛和高密度的等离子体团。进而模拟了太阳风引起的局部驱动力对等离子体彗尾中磁场重联的影响,其特征时间远大于流动撕裂模。我们认为一些观测到的等离子体彗尾中的四块和彗尾截断事件可能主要与彗尾中剪切等离子体流动所引起的流动撕裂模不稳定性有关。      

三维非线性撕裂模耦合和快速磁场重联

基于三维不可压缩电阻性ＭＨＤ方程，在长柱形位型下，数值研究了电阻撕裂模不稳定性所引起的磁场重联过程。研究结果表明，撕裂模的非线性相互作用和耦合，将产生许多模式的强裂解稳和导致快速的磁场重联。这一过程的进一步发展，导致具有螺旋形结构，不同模式的磁岛磁力线重叠，从而引起较大区域内的磁场各态经历和磁力线随机走向，形成撕裂模端动。     

各向异性等离子体多重电流片的演化

应用二维三维量磁流体动力学方程组模拟，数值研究了压力各向异性等离子体周期多重电流片的演化，发现在β＜＜1时，微弱的各向异性仅仅使电流片中磁场重联的速度加快，而当β≈1（即热压与磁压相当时，微弱的垂直各向异性不仅大大加速了磁场重联的速度，还使重联位置发生显著变化。初始反对称的磁场重联位形逐步转化为对称的磁场位形，进而再演化为与初始反相的反对称磁场位形，场向各向异性和强的垂直各向异性都导致不稳定性增长率成倍增加。但在场各向异下磁场位形基本不变，只在电流片中心出现不规则扰动，同样参数下向向异性等离子体多重电流片中磁场重联形成的磁岛比各向同性多层电流要小。     

太阳风状态参数的变化对地球磁鞘中磁场起伏特性的影响

本文利用MHD激波跳跃条件的精确解,具体讨论了行星际背景太阳风状态参数Alfvén马赫数M₁、等离子体β₁参数和磁场角θ₁的变化对地球磁鞘区中磁场起伏特性及其分布的影响.主要结果是:马赫数M₁的变化主要控制磁场起伏特性:放大倍数、相对起伏和各向异性程度的水准高低.磁场角θ₁的变化控制磁场起伏的空间分布特性.等离子体β₁参数的变化,不引起磁场起伏特性的明显变化(对于实际经常发生的情况M₁ 8而言).M₁、θ₁是强控制参数,而β₁是弱控制参数;磁鞘区磁场起伏对太阳风状态参数的变化响应呈现明显的晨-昏不对称性(行星际磁场位于黄道面时),响应主要发生在晨侧.晨侧的磁场起伏(或湍动)相当活跃,而昏侧相当稳定;磁鞘中不同地点磁场起伏特性对太阳风状态参数M₁、β₁的变化响应有大致相同的形式,而对其磁场角度θ₁的变化却有迥然不同的形式.      

流动对太阳黑子精细结构的影响

考虑磁扩散率为温度的函数以及绝热条件,线性扰动磁流力学方程组的色散方程是频率的三次方程。由于沿磁场流动的速度u₀小于声速u_s,即ε=u₀2/u_s2是一个小量,在零级近似下解色散方程,得到了磁扩散不稳定性。本文进一步讨论在一级近似下小流动对磁扩散不稳定性的影响。结果表明,小流动不破坏磁扩散不稳定性的存在,并且,它对波数空间中的不稳定区也影响不大。      

2.5维自适应磁场重联MHD模式

磁雷诺数(R_m)是影响磁场重联的重要因素. 真实的物理环境中R_m往往很高, 例如, 在行星际空间和太阳日冕中R_m通常大于104量级. 高R_m条件下的磁重联表现出很多异常特性, 然而高R_m条件下的磁场重联数值模拟需要很高的时空分辨率, 否则很难分辨出重联过程中形成的薄电流片. 本文基于自适应软件包PARAMESH将并行自适应网格技术引入磁场重联数值模拟, 建立了一个2.5维自适应磁场重联MHD模式, 研究高磁雷诺数条件下重联的动态演化过程, 进而将不同磁雷诺数的参数进行对比研究. 结果表明, 该模式可以自动捕捉到磁场重联产生的奇性电流片, 高磁雷诺数条件下产生的慢激波结构可提供一种快速磁能释放机制.      

1980年5月21日—22日耀斑后冕拱(Post-flare coronal arch)的加热机制和稳定性

本文提出了快撕裂模加热是1980年5月21日—22日耀斑后冕拱长达10多小时的有效加热机制。作者计算了撕裂模所提供的能量和相应的增长率,并讨论了该冕拱的MHD平衡和稳定性问题,主要结论如下:1.对5月21日冕拱,当密度取1.6×109cm-3（实测值）时,剪切宽度α_α=1.8×108cm（冕拱小半径的十分之一）剪切磁场为18—32×10-4T,所对应的增长率为1.79×10-5s-1—2.66×10-5s-1,不稳定的增长时间为15.5h—10.4h,这组解与观测到的冕拱存在10多小时相符。所以,撕裂模是冕拱合理的有效加热机制。2.该冕拱之所以维持10多小时之久,除撕裂模加热与辐射损失平衡外,在力学上必须处于平衡态,其平衡条件为B_φ（冕拱轴向磁场）=2B_θ（冕拱的环向场）,和气压梯度dp/dr大于零。若冕拱满足该力学平衡条件,则利用能量原理可得到该系统对腊肠扰动、扭曲扰动、螺旋扰动均是稳定的。      

磁云边界层中的复合重联喷流观测分析

太阳风中的磁场重联通常与行星际日冕物质抛射有关.本文分析了1995年10月18日WIND飞船观测到的一例磁云前边界层中的复合重联喷流事件.该复合排空区由相邻两个不同方向的喷流构成，这两个喷流分别经过Walén关系的证认，符合行星际磁场重联排空区等离子体喷流的特征.结果表明，在磁云前端可能存在众多重联点，从而将磁云本体的磁场剥离，形成比单一重联喷流区更复杂的三维边界层结构.磁云边界层中可能发生多点多次重联，从而不表现出单点重联的排空区特征，这可能是行星际磁场重联排空区较少在ICME前端被观测到的原因之一.      

向阳面磁顶区可压缩涡旋诱发重联模拟研究:通量传输事件的形成和结构

本文用二维可压缩MHD模型,模拟研究了向阳面磁顶区的涡旋诱发重联过程。重联过程的结果形成了同心的磁流体涡旋。同时还对可压缩模型与不可压缩模型的异同点作了对比研究。结果表明,在同样条件下,可压缩情况的涡旋发展的增长率比不可压缩情况慢;结构特性无显著变化。本文指出,涡旋诱发重联是产生通量传输事件的一种重要机制。通量传输管可看作为磁流体涡旋管。对通量传输事件诸物理量(磁场、速度、密度、压力和温度)的分布特性作了模拟研究,可解释FTEs的主要观测特性。      

行星际磁场北向时磁层顶区磁场重联的全球模式

在对背阳面磁层顶区局域磁场重联模拟的基础上提出了一个行星际磁场北向时磁层顶磁场重联的全球模式。行星际磁场北向时碰层顶磁场重联导致近地尾瓣的能量被输送到远磁尾,太阳风能量不在磁尾储存,向阳面磁层顶变厚,磁层受到一系列扰动。      

无力场的触发重联和太阳耀斑

采用多步隐格式,对在瞬间形成的电流片的触发下的高剪切无力场的磁重联过程进行了数值模拟。磁重联首先在交界面处的非中性电流片区出现,然后向无力场区蔓延。在磁重联过程中,在无力场区形成一高温环状结构,物质向光球层流动。在高温环内侧的新喷发场区,物质向上流动。磁重联主要集中在初始电流片外侧的高剪切无力场区,高温环顶部的温度最高,位置基本固定。在磁重联的过程中,剪切磁场分量的空间梯度减小,无力场因子下降。     

Two-spacecraft observations of reconnection at the magnetopause: Model results and data comparison

We revisit an example of “quasi-steady” magnetic reconnection at the dayside magnetopause on February 11, 1998, observed by Equator-S and Geotail at the dawnside magnetopause. Phan et al. [Phan, T.D. et al., 2000. Extended magnetic reconnection at the Earth’s magnetopause from detection of bi-directional jets. Nature 404, 848–850.] reported oppositely directed jets at these spacecrafts and inferred a length of the reconnection line of about 38R_E. Pinnock et al. [Pinnock, M., Chisham, G., Coleman, I.J., Freeman, M.P., Hairston, M., Villain, J.-P., 2003. The location and rate of dayside reconnection during an interval of southward interplanetary magnetic field. Ann. Geophys. 21, 1467–1482.] used measurements from SuperDARN radars to show that the reconnection electric field was variable. Here we complement this work by obtaining snapshots of the reconnection electric field from the in situ observations. To do this, we apply a reconstruction method based on a model of compressible Petschek-type magnetic reconnection. This independent method uses magnetic field observations as input data to calculate the reconnection electric field. We obtain average values of E_rec in the range of 0.4–2.4 mV/m. Further we infer a distance perpendicular to the reconnection line of 0.4–0.6R_E. The model results are compared with the two studies mentioned above. It thus appears that while the transfer of momentum for this event is indeed large-scale, the actual rate depends on the time it is measured.     

Magnetic flux expulsion as an acceleration mechanism for stellar winds

Observations of the Sun show that magnetic flux is emerging through the surface in small scales in rather copious amounts. In order to maintain a steady state field strength, this flux must either be locally dissipated or explelled or both. We believe that magnetic reconnection and subsequent flux explusion is the most effective manner in which to achieve this. If new flux emerges into an already preexisting coronal magnetic field, the ambient field must be pushed aside to allow room for the new flux. If the ambient field strength decreases outward with radial distance as is expected for all stars, it may pinch off the emerging flux through magnetic reconnection and expell it outward. The net force on an isolated diamagnetic plasmoid produced by this process is shown to assume a particularly simple form, depending only on the plasmoid's mass, its temperature, and the radial gradient of the logarithm of the undisturbed magnetic pressure. If a sufficient number of these magnetic elements are produced per unit time, this process translates to a net outward magnetic force on the coronal plasma which can be greater that the gas pressure force. Thus, a stellar wind can be produced by magnetic forces alone without the need for a high coronal gas pressure — a mechanism which could be effective in explaining why stars, such as the late-type giants, which possess cool coronae nevertheless exhibit vigorous coronal expansions.     

基于能量色散特征计算磁层顶重联位置的方法研究

磁层顶磁场重联是太阳风向磁层输入能量的主要方式.重联如何触发一直是空间物理研究的难点,其机制仍然有待深入研究.由于卫星穿越磁层顶时,很难恰好穿越重联发生的区域,因此难以观测到重联的触发条件.本文利用THEMIS卫星观测,确立了反演磁层顶重联点的方法.当重联刚开始发生时,卫星能够观测到离子的能量色散特征,可利用其计算卫星到重联发生位置的距离.沿着磁力线模型追踪该距离即可反演出磁层顶发生重联的位置.与其他方法进行了对比分析,结果显示本文方法比其他方法具有更高的精度.