磁场重联中的哨声波与Hall效应

数值研究Hall电流效应对于重联动力学特征及波动特性的影响.结果表明,具有强Hall效应的算例,重联出流区张角大,重联率高.对于不同Hall效应的算例,应用快速傅里叶变换(FFT),将平面外磁场By分量和(x,z)平面内的速度分量vx,vz位于给定点的时间序列转换为功率谱,并对电场E采用最小方差分析法,确定波的传播方向与偏振特性.研究发现,在强Hall效应的算例中,磁分界线附近存在具有典型特征的哨声波,Hall效应减弱,则波动信号减弱.上述结果表明,Hall电流效应对重联动力学特征具有重要影响,是产生哨声波和快速重联率的关键因素;此外,对于强Hall效应的算例,磁分界线附近哨声波幅度与平面内场向电流Jp间存在正相关关系,它从另一个侧面展示了哨声波与Hall效应间的重要联系.      

太阳表面水平运动驱动的磁圈与开放磁场重联的模拟研究

太阳大气的诸多观测事件(如耀斑、喷流等)均被归因于磁重联产生的能量转换. 近年来, 关于太阳风起源, 有研究提出了磁重联使闭合磁圈开放为太阳风供应物质的新模式. 在该模式中, 闭合磁圈被光球超米粒组织对流携带, 向超米粒边界运动, 与位于边界的开放磁场相碰撞进而发生磁重联. 该模式中磁重联的驱动及其效应是本文的研究目标. 磁流体力学(MHD)数值模拟是研究太阳大气磁重联物理过程的重要途径. 本文建立了一个二维MHD数值模型, 结合太阳大气温度和密度的分层分布, 在超米粒组织尺度上模拟了水平流动驱动的闭合磁圈与开放磁场的重联过程. 通过对模拟结果的定量分析, 认为磁重联确实能够将闭合磁圈的物质释放, 进而供应给新的开放磁结构并产生向上流动. 该结果为进一步模拟研究太阳风初始外流奠定了基础.      

无碰撞电流片哨声波不稳定性

通过数值求解文献[4]中物理模型A得到的一般形式的色散关系,讨论了无碰撞电流片低频波不稳定性问题.结果表明,哨声波能被无碰撞电流片直接激发.在中性片上(z/di=0),在较宽的波数范围内,斜哨声波是可以传播的,但它基本上是稳定的.在离子惯性区内(z/di<1,电子惯性区外),斜传播的哨声波是不稳定的.在离子惯性区边缘(z/di=1),斜传播的哨声波仍然是不稳定的,增长率更大,不稳定的波频率范围更高.此外,朝向中性片方向传播(kzdi<0)的哨声波比离开中性片方向传播(kzdi>0)的哨声波有更大的增长率.     

地磁场模式对低纬哨声射线追迹计算的影响

考虑到低纬地磁场与偶极子磁场偏离较大, 本文用国际参考场(n=6)进行了低纬哨声射线追迹计算.结果表明, 在约9°N和12°N处有两个很窄的哨声波非导传播出口点, 相应射线起点都在雷电活动区.哨声波非导传播出口的截止纬度约在8—9°N处.计算结果也较满意地解释了低纬哨声色散值和f₀/F₂正相关的事实.      

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.      

磁尾等离子体团型结构的数值模拟

考虑横越磁尾不同区域的数密度与离子温度的分布特点,取宁静磁尾温度、密度呈同样形态的非均匀分布,作为模拟计算的初态,对初始By为不同分布的3个算例作模拟计算．数值结果展示了3类磁结构的演化特征．考察磁尾中性片一个给定点的磁场变化,做出3个算例典型事件的磁场矢端图．它们从另一个侧面展示了磁尾通量绳型等离子体团、具有复杂闭合磁力线位形类似于“闭合环”的等离子体团,以及二维“磁岛”型等离子体团的特点．观测表明,多数磁尾等离子体团为具有强核心场的通量绳结构．通过跟踪一个通量绳型等离子体团的发展,作出等离子体团各方向速度与磁场强度随x演化的曲线．其中,vx与磁场强度|B|在近尾至中尾的计算值与Geotail卫星资料统计分析结果大致相符．此外,与Jin等取初始温度为均匀分布的计算结果相比,本文给出的通量绳型等离子体团,其内温度较高、密度较低,与资料分析结果的偏离也随之减小．     

损失锥电子速度分布激发的哨声波

利用一维粒子模拟方法研究了损失锥电子速度分布激发的哨声波非线性演化过程, 并与双麦克斯韦电子分布激发哨声波的情况进行了比较. 结果表明, 这两种情况下, 在线性增长阶段哨声波的主导频率 (能量最集中的一个频率) 是一样的, 波动的激发使得平行于背景磁场方向的电子温度有所提高. 比较而言,在损失锥分布情况下, 哨声波具有主导频率的波模可较早地被激发, 而在线性增长阶段, 哨声波的能量更倾向于集中在高频(短波长)波段. 部分粒子被散射到损失锥中, 而使损失锥分布得以补充. 本文还研究了不同各向异性分布和磁场强度条件下的激发过程.      

电阻磁流体力学模拟的CESE方法

利用时空守恒元解元方法(CESE)和两种改进方法, 即库朗数不敏感(CNIS)方法与高阶CESE方法求解2.5维电阻磁流体力学(resistive MHD)方程组, 模拟了两个单电流片重联问题. 并考察了上述三种方法所得结果的磁场散度. 分析表明, 三种方法所得到的磁场位形基本没有差别, 但在磁场散度上存在一定差异, 相比另外两种方法, CNIS方法在控制磁场散度方面表现得更好.      

磁云边界层中的重联慢激波观测分析

在Petschek模型中,排空区边界处的一对慢激波是能量耗散的重要机制.已有大量行星际空间的Petschek型磁场重联排空区观测事件被报道,但是只有少量的排空区边界处观测到了慢激波.针对一例位于磁云边界层中的Petschek型磁场重联排空区观测事件,在排空区靠近磁云一侧边界处证认了一例慢激波.激波跃变层两侧的磁场和等离子体参数满足Rankine-Hugoniot关系,且激波上下游的中间马赫数均小于1,上游的慢马赫数为2.94（>1）,下游的慢马赫数为0.65（<1）,符合慢激波的观测特征.磁云内部的等离子体β值很低,局地阿尔芬速度高,同时磁云边界层中可能发生丰富的磁场重联活动,这可能是磁云前边界处慢激波形成的原因.      

太阳风——磁层相互作用的磁流体力学数值模拟研究

磁层位于地球空间的最外层, 太阳风与磁层的相互作用是空间天气变化因果链中承上启下的关键环节, 是揭示地球空间天气基本规律的关键科学课题. 地球空间由于时变、多成分、多自由度的关联相互作用,使得传统的理论分析变得非常困难. 数值模拟作为近几十年发展起来的一个新的研究手段,对地球空间的理论和应用研究产生了深刻的影响. 国际上磁层的全球MHD数值模拟工作开始于20世纪70年代末, 最初的研究局限于二维空间. 由于磁层内在的三维特性, 20世纪80年代三维MHD数值模拟工作兴起. 本文简要说明了三维全球磁层MHD (磁流体力学)研究的特点及现状, 给出了三维全球磁层模型的基本框架, 综述了行星际激波与磁层相互作用、大尺度电流体系、重联电压和越极电位、磁层顶K-H不稳定性等方面的太阳风--磁层相互作用的MHD数值模拟的研究进展.      

周期性多电流片系统中涡旋诱发重联过程的相互作用

运用二维可压缩磁流体动力学(MHD)模拟方法考察了周期性多电流片系统中涡旋诱发重联(VIR)过程的发展演化.结果表明,相邻电流片中的VIR过程发生相互作用,相距越近,作用越强烈.反对称和对称波模VIR过程的线性增长率随电流片间距的减小而分别增大和降低.当电流片间距小于某临界值时,反对称波模VIR完全被抑制.相对于对称波模VIR,反对称波模VIR过程对空间多电流片系统的发展会发挥更大作用.      

基于CPU/GPU的日冕偏振亮度并行计算模型

三维磁流体力学(MHD)数值模拟是用来研究日冕和太阳风最常用的方法之一, 其中将计算得到的日冕电子数密度转化为日冕偏振亮度(Polarization Brightness, PB)是与观测对比的重要方法. 由于待转换电子数据网格密度、PB数据网格密度和计算模型的复杂度, 使得日冕偏振亮度的计算比较耗时, 利用单CPU计算无法达到近实时转换日冕偏振亮度的要求, 从而影响了数值模拟的验证效率. 本文在CPU/GPU环境下, 利用CUDA编程技术, 提出了一个日冕偏振亮度并行计算模型. 实验结果表明, 该模型比CPU上的串行模型计算速度提高了31.86倍, 达到了近实时模拟与观测数据比对的计算要求.      

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。      

利用Cluster卫星磁尾单事例研究具有复杂核心磁场结构的磁通量绳

2002年8月28日09:50UT-10:50UT,Cluster卫星在地球磁尾观测到一次导向场磁场重联事件.卫星观测到磁场重联扩散区附近清晰的霍尔（Hall）四极型磁结构.由于导向场的存在,该四极型结构被扭曲变形.在该磁场重联事件中,卫星观测到多个磁通量绳,大部分磁通量绳的核心场极性与导向场极性一致.但是,其中一例磁通量绳的核心场结构极性较复杂.该例磁通量绳中心区域核心场强度出现峰值,核心场极性和导向场极性一致;中心以外区域的核心场极性和导向场极性相反.这种复杂核心场结构以前未见报道.通过最小方向导数法,发现该磁通量绳的轴向是弯曲的.C1和C3卫星穿越了磁通量绳弯曲部分,探测到核心场极性变化;C2和C4卫星位于C1和C3卫星的北侧,仅穿越了磁通量绳弯曲处的一部分,故核心场具有单极性.      

多种观测数据驱动的三维行星际太阳风MHD模拟

三维磁流体力学（MHD）数值模拟是行星际太阳风研究的重要手段.本文发展了一种由多种观测数据驱动的三维行星际太阳风MHD数值模型.模型的计算区域为0.1AU到1AU附近，使用Lax-Friedrich差分格式在六片网格系统中进行数值求解.边界条件中磁场使用GONG台站观测的光球磁图外推获得，密度通过LASCO观测的白光偏振亮度反演得到，速度根据以上两种观测数据并利用一种基于人工神经网络技术（ANN）的方法得到，温度通过自洽方法根据磁场和密度导出.利用该模型模拟了第2062卡灵顿周（CR2062）时期的行星际太阳风，模拟结果显示出丰富的观测特征，并与OMNI以及Ulysses的实际观测值符合得较好.该模型可用于提供接近真实的行星际太阳风，有助于提高空间天气预报的精度.      

空间等离子体压力各向异性对磁场重联的影响

基于二维时变可压缩磁流体动力学模拟,数值研究了等离子体压力各向异性对磁场重联的影响,发现一个小的压力各向异性(P_⊥=1.02P_//)即可大大加速磁场重联的发展,这可能是由于磁镜不稳定性与撕裂模不稳定性共同起作用.在P_⊥P_//的情况下,撕裂模受到抑制,电流片中不能形成大型磁岛.      

太阳风中小尺度磁通量管边界重联的统计研究

通过对WIND卫星1995—2005年的数据,利用程序筛选及人工识别两种不同方法确定的小尺度磁通量管进行比较,发现程序筛选法中41%的小尺度磁通量管有边界重联现象,与人工识别法确定的小尺度磁通量管的统计结果接近;通过人工识别和程序筛选两种方法确定的小尺度磁通量管的边界重联特征,包括磁场剪切角、磁场强度以及重联耗散区的持续时间等,也具有相同的统计趋势.结果表明,两种方法确定的小尺度磁通量管在重联特性上没有本质区别,因此采用这两种方法得到的数据作为样本来统计小尺度磁通量管前后边界重联事件.本文共确定了71个重联事件,统计结果显示有50个(70%)重联耗散区磁场的减小超过20%,47个(66%)磁场剪切角大于90°;多数重联事件的磁场剪切角大于90°,表明小尺度磁通量管边界中主要发生的是反平行重联.将小尺度磁通量管的前后边界重联分开进行统计,结果显示其前后边界重联的特征是相似的,与磁云前后边界存在差异的性质不同,这意味着太阳风中的小尺度磁通量管并不具有磁云这种大尺度磁通量管的膨胀特征.     

超声速磁流体管道流动的数值模拟

应用可同时适用于描述磁流体MHD (MagnetoHydroDynamic)强化超燃冲压发动机磁流体发电器与磁流体加速器的,包含磁流体N-S(Navier-Stokes)方程与磁感应方程的可压缩磁流体方程组对超声速磁流体管道流动进行了数值模拟研究,以验证本项工作所提出的对2组方程进行交替迭代的分裂式算法.给出了算例的计算结果,并与无磁场及恒磁场下相同管道的流动计算结果进行了对比分析.     

太阳爆发抵近探测——“触碰计划”

本文旨在介绍一项具有重大科学意义和应用价值的深空探测任务构想.该任务将对驱动恒星大尺度爆发过程的中心结构(即磁重联电流片)进行抵近(原位)探测,主要目的是详细研究发生在离地球最近的恒星—太阳上的大尺度磁重联过程的精细物理特征,揭示太阳系中最为剧烈的能量释放过程(即太阳爆发或太阳风暴)的奥秘.该任务的科学目标:磁重联过程...     

数字通信中的密码技术和差错控制技术(二)

<正> 三、几种实用纠错编码a.编码增益采用FEC的数字通信过程示于图9,图中数据源以每秒R个码位的速率把数据送入编码器,而编码器接受k个码位,添加n-k个校验码位而输出n个符号,所以编码速率r为r=k/n(码位/符号) (1) 因为数据源送出k个码位的时间应等于编码器输出n个符号的时间,则有编码器输出速率: