无碰撞磁重联中的有效电阻

发布时间：2021-11-16 11:35

　　磁重联被认为是空间及实验室等离子体环境中,能快速有效地将磁能转换成等离子体动能及热能的能量转换机制之一。该机制能成功解释自然界中的许多爆发性现象,如太阳耀斑、地球磁层亚暴等。在许多空间和实验室等离子体中通常可以认为等离子体是无碰撞的,这样经典碰撞电阻模型无法提供磁重联所必须的快速耗散机制。二十多年前,通过全粒子PIC模拟研究发现磁重联过程的耗散机制是由电子压力张量的非对角项提供的。但是,电子压力张量的非对角项是不能用简单的物理模型来描述,这样导致它无法应用于磁流体模型中研究大尺度的磁场重联过程。本博士论文提出了简单的有效电阻模型,与全粒子PIC模拟进行比较并成功地解释各种环境中的观测现象。本论文首先详细介绍了我们自主开发的全粒子PIC模拟程序,文中详细介绍了我们所使用的程序框架及场方程、粒子推动等具体算法,并给出了与他人PIC模拟结果的基准比对。然后提出无碰撞磁重联中重联区附近有效电阻的理论模型并与PIC模拟结果进行了比较。在磁重联过程中,在重联区附近磁场的弯曲将会对带电粒子造成自散射效应,该效应非常类似于经典库仑碰撞效应并会极大地改变该区域的耗散性质导致快速重联发生。通过研究带电粒子... 

【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：112 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

图１．１磁重联的简要示意图１２３］

对于实验室物理中如托卡马克中的模不稳定也存在很大的影响［２＜Ｕ１］。所谓磁重联，是指在??有哏电导率的等离子体中，处于电流片内的磁力线被迫或者自发地发生“断开”与“重联”??的过程［２２］。其具体图像如图１．１所示［２３］。在此过程中，磁场发生“耗散”，其拓扑结构发??生改变，被“耗散”的磁能转化成等离子体的动能和热能。之所以打上引号，是因为磁重??联并不认为是由于电阻引起的耗散，其在时间尺度上要比电阻耗散导致的扩散效应快得多。??ｔ?＝?０?ｔ?＝?ｔ?Ｊ?ｔ?＝?ｔ?２?＾?＝?＾?３??：丨Ｈ（棄音??图１．１磁重联的简要示意图１２３］。其中虛线表示初始电流片位置，其左右两边为反向平行的磁场??（ｔ＝０）。在ｔ＝ｔ丨时，磁场开始相互靠近，并于ｔ＝ｔ２时在电流片的Ｘ点发生磁重联现象。在ｔ＝ｔ３??时刻，在出流区域喷出被加速的等离子体流。??磁重联的概念最早是由〇丨＾３１１￡丨丨丨［２４］于１９４６年提出，他认为该机制有可能对太阳耀斑??的产生有重大影响。之后Ｓｗｅｅｔ１２５）于１９５８年提出了磁重联模型的雏形，探讨在磁中性面??附近磁能转化成等离子体动能的速率关系。Ｐａｒｋｅｒ１２６

但并没有说明该电阻会出现在什么地方以及其形成机制。１％３年，Ｆｕｒｔｈ，?Ｋｉｌｌｅｅｎ和??Ｒｏｓｅｎｂｌｕｔｈ１３４１＊同提出了一种新机制，认为磁场在微扰动下会变得不稳定，紧接着会触发??磁场重联，也就是后来的撕裂模理论。理论示意图如图１．４所示。这里与上两个模型最大??的不同就是增加了垂直于纸面方向的导向磁场，平面上的剪切磁场发生重联，并形成中间??封闭的磁岛。另外需要注意的是，在这里电阻效应只在重联点Ｘ点有比较强的影响。对于??线性撕裂模的理论分析推导比较冗长，具体可详见王水［２２］和胡希伟［３Ｃ）１的书籍著作。??在此需要指出的是，该模型中最不稳定的模其增长时间为ｒｊ３／５量级，其耗散区宽度??与入流区长度的比值约为＊Ｓ＿２＿＿５，式中阿尔芬时间１＾＝／７匕，Ｌｕｎｄｑｕｉｓｔ数类似??的，对比于Ｓｗｅｅｔ－Ｐａｒｋｅｒ模型中这两个量：增长时间接近于ｌＳ＂２，耗散区宽度与入流区??长度比值＊Ｔ１／２，还是非常接近的。不同的是，在Ｓｗｅｅｔ－Ｐａｒｋｅｒ模型中，磁能的消耗直接转??化成了离子和电子的动能与热能


本文编号：3498808