地球磁层磁重联现象的磁流体力学模拟
发布时间：2021-03-29 14:10
在日地空间等离子体环境中存在许多爆发现象,如太阳耀斑的演化、日冕物质抛射以及太阳风与地球磁层的相互作用,这些现象的产生都与磁重联有着密不可分的关系。磁重联过程重组磁场拓扑位形,能在极短的时间内将磁能转化为等离子体的动能和热能,其相关研究对于灾害性空间天气的防范具有重要意义。本文针对地球磁层等离子体环境,采用2.5维双流体MHD模拟,考虑了广义欧姆定律中的Hall效应项,初步研究了地球磁层环境中的磁重联过程,得到了不同的物理量随时间的变化:磁场位形、电场分布、电子流和离子流的空间分布,并对电子的数密度与速度随空间坐标的变化情况进行了详细了解。模拟结果显示在重联率达到最大时,离子流在入流方向上的数密度呈现中间高、两侧低的分布,在出流方向上的数密度呈现左右高、中间低的分布,高密度区集中在出流区,重联点处数密度最低。电子流在入流方向上的数密度分布与离子流略有差异,出流方向上的数密度分布与离子流相似。在磁重联过程中,离子流和电子流在左右两边的出流区都呈对称分布,但大部分的离子在出流区汇合到一起,在y方向上形成尺度接近离子惯性尺度的结构;电子流主要分布在分离线附近,电子流在y方向上形成尺度接近电子...
【文章来源】：西北师范大学甘肃省
【文章页数】：50 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图1.1日地空间环境（引自NASA网站：http://sec.gsfc.nasa.gov/popscise.jpg）
绪论3激波”（BowShock）[19]，而被称为“磁鞘”（Magnetosheath）[20]的空间区域就夹在“舷激波”与磁层顶中间。在地球南北极上方磁层顶附近有一个漏斗形区域称为极间区（PolarCusps）[21]。学者普遍认为卫星在磁层顶观测到的“磁通量传输事件(FluxTransferEvents，FTEs)”[22]与磁层顶中的磁重联过程有着极为密切的关系，它体现了太阳风中的物质、磁通量和能量传输进磁层的过程。当太阳风中的“行星际磁潮(IMF)有南向的分量时，会在靠近太阳一边的磁层顶处与北向的地球偶极磁场相遇发生磁场重联[23]，这将使得原本闭合的地球偶极磁场被打幵，磁场线改变为“开放”形态，于是太阳风中的能量得以进入磁层乃至电离层。这样“开放”的磁场线一端与地球极冠区（PolarCap）相连，另一端在太阳风的推动下朝地球背向太阳一面运动，并在地球磁层后方极远处延伸形成柱状尾部磁场区域。这个长达数百个地球半径(RE)的尾部区域就称为“磁尾”（Magnetotail）[24]，其作用是储存等离子体和能量。在“磁尾”赤道面上存在一个电流片，以此为界可将“磁尾”分为拥有相反方向磁场线的南北两个尾瓣。当太阳风中的物质、能量和磁通量进入磁层之后，通过对流运动逐渐堆积到磁尾区域，储存在磁尾电流片中，能量积累到一定程度的时候，磁尾处也会发生磁场重联释放掉储存的能量[25]。“磁层亚暴”[26]是地球磁层中的短暂扰动，导致磁尾中的能量释放到高纬度电离层，引起“极光”（Aurora）。图1.2地球磁层的横截面[69]总的来说，日地空间环境这个复杂等离子体系统的各个层次并不是彼此独立的，它们相互之间紧密联系共同构成一个整体。这些环境中的爆发现象对人类的
绪论4空间活动、地面的通信系统和供电系统以及人类的基本生存环境有着重要的影响。1.1.2空间等离子体描述浩瀚宇宙中等离子体态的物质随处可见，空间天体物理环境中发生的不计其数的物理过程大都蕴含着等离子体物理学。空间等离子体这门学科涵盖空间物理学与等离子体物理学。作为崭露头角的交叉学科，它已经在空间天体环境中的物理现象研究上发挥举足轻重的作用了。人类逐渐认识空间天体环境的基本特征，总结直观现象背后的物理规律，以期能够对太空环境中的灾害性天气事件进行防范，来为航天活动、卫星遥感、人类正常通讯生活进行服务。图1.3等离子体存在的参量空间[31]为了掌握日地空间环境中的灾害性天气过程的演化特征，以及了解这些现象的产生机理，就必然需要开展对空间等离子体基本物理过程的系统性研究[27-29]。早在1879年，英国著名化学家和物理学家克鲁克斯（Crookes）就指出放电管中的电离气体不同于气体、液体、固体，是继前三者之后的物质第四态。1928年，朗缪尔(Langmuir)给它起名为等离子体（plasma）。据物理学家的计算，宇宙中99%的可见物质都处于等离子体状态，从炽热的恒星到浩瀚的星际间物质，从灿烂的星云到高速的太阳风，这些环境中都充斥着等离子体，而地球上的生命却恰恰处在那剩下的1%中。如图1.3所示，等离子体存在的参数空间极为广阔。目前为止，对等离子体而言，其尚未能有一个科学意义上精准严格的定义，但是我们可以暂
【参考文献】：
博士论文
[1]无碰撞磁场重联的数值模拟研究[D]. 卢三.中国科学技术大学 2014
硕士论文
[1]c/uA及mi/me取值对于磁重联过程的影响[D]. 钱仁锋.浙江大学 2018
[2]基于有限体积法的MHD数值研究[D]. 雷晓晨.南华大学 2017
[3]边界扰动驱动磁场重联[D]. 杨恒磊.大连理工大学 2006
本文编号：3107676
【文章来源】：西北师范大学甘肃省
【文章页数】：50 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图1.1日地空间环境（引自NASA网站：http://sec.gsfc.nasa.gov/popscise.jpg）
绪论3激波”（BowShock）[19]，而被称为“磁鞘”（Magnetosheath）[20]的空间区域就夹在“舷激波”与磁层顶中间。在地球南北极上方磁层顶附近有一个漏斗形区域称为极间区（PolarCusps）[21]。学者普遍认为卫星在磁层顶观测到的“磁通量传输事件(FluxTransferEvents，FTEs)”[22]与磁层顶中的磁重联过程有着极为密切的关系，它体现了太阳风中的物质、磁通量和能量传输进磁层的过程。当太阳风中的“行星际磁潮(IMF)有南向的分量时，会在靠近太阳一边的磁层顶处与北向的地球偶极磁场相遇发生磁场重联[23]，这将使得原本闭合的地球偶极磁场被打幵，磁场线改变为“开放”形态，于是太阳风中的能量得以进入磁层乃至电离层。这样“开放”的磁场线一端与地球极冠区（PolarCap）相连，另一端在太阳风的推动下朝地球背向太阳一面运动，并在地球磁层后方极远处延伸形成柱状尾部磁场区域。这个长达数百个地球半径(RE)的尾部区域就称为“磁尾”（Magnetotail）[24]，其作用是储存等离子体和能量。在“磁尾”赤道面上存在一个电流片，以此为界可将“磁尾”分为拥有相反方向磁场线的南北两个尾瓣。当太阳风中的物质、能量和磁通量进入磁层之后，通过对流运动逐渐堆积到磁尾区域，储存在磁尾电流片中，能量积累到一定程度的时候，磁尾处也会发生磁场重联释放掉储存的能量[25]。“磁层亚暴”[26]是地球磁层中的短暂扰动，导致磁尾中的能量释放到高纬度电离层，引起“极光”（Aurora）。图1.2地球磁层的横截面[69]总的来说，日地空间环境这个复杂等离子体系统的各个层次并不是彼此独立的，它们相互之间紧密联系共同构成一个整体。这些环境中的爆发现象对人类的
绪论4空间活动、地面的通信系统和供电系统以及人类的基本生存环境有着重要的影响。1.1.2空间等离子体描述浩瀚宇宙中等离子体态的物质随处可见，空间天体物理环境中发生的不计其数的物理过程大都蕴含着等离子体物理学。空间等离子体这门学科涵盖空间物理学与等离子体物理学。作为崭露头角的交叉学科，它已经在空间天体环境中的物理现象研究上发挥举足轻重的作用了。人类逐渐认识空间天体环境的基本特征，总结直观现象背后的物理规律，以期能够对太空环境中的灾害性天气事件进行防范，来为航天活动、卫星遥感、人类正常通讯生活进行服务。图1.3等离子体存在的参量空间[31]为了掌握日地空间环境中的灾害性天气过程的演化特征，以及了解这些现象的产生机理，就必然需要开展对空间等离子体基本物理过程的系统性研究[27-29]。早在1879年，英国著名化学家和物理学家克鲁克斯（Crookes）就指出放电管中的电离气体不同于气体、液体、固体，是继前三者之后的物质第四态。1928年，朗缪尔(Langmuir)给它起名为等离子体（plasma）。据物理学家的计算，宇宙中99%的可见物质都处于等离子体状态，从炽热的恒星到浩瀚的星际间物质，从灿烂的星云到高速的太阳风，这些环境中都充斥着等离子体，而地球上的生命却恰恰处在那剩下的1%中。如图1.3所示，等离子体存在的参数空间极为广阔。目前为止，对等离子体而言，其尚未能有一个科学意义上精准严格的定义，但是我们可以暂
【参考文献】：
博士论文
[1]无碰撞磁场重联的数值模拟研究[D]. 卢三.中国科学技术大学 2014
硕士论文
[1]c/uA及mi/me取值对于磁重联过程的影响[D]. 钱仁锋.浙江大学 2018
[2]基于有限体积法的MHD数值研究[D]. 雷晓晨.南华大学 2017
[3]边界扰动驱动磁场重联[D]. 杨恒磊.大连理工大学 2006
本文编号：3107676
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