电子相空间空洞的数值模拟研究

发布时间：2017-10-25 17:00

  本文关键词：电子相空间空洞的数值模拟研究

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【摘要】：磁场重联是等离子体中一种重要的能量转换过程,它将磁能快速转换为粒子的动能和热能,同时磁场的拓扑位形发生改变。磁场重联通常会产生粒子束流,激发等离子体不稳定性和波动。电子束流不稳定性(Electron beam instability)作为一种非常重要的不稳定性,常常伴随着磁场重联出现,对它的研究有助于我们更好地理解快速磁场重联等重要的空间物理关心的现象。在本文中,我们首先在第二章探讨了二维电子束流不稳定性的性质,重点关注产生的电子相空间空洞的条件,在电子相空间空洞中,电子相空间分布形状如“漏斗状”,其平行电场呈双极结构的静电孤立结构(Electron solitary structure),在第三章我们研究了在均匀等离子体中离子对电子相空间空洞演化的影响,最后在第四章里面我们进一步研究了在磁场重联中的产生的电子相空间空洞的性质。 1、电子束流不稳定性 利用二维静电程序,我们研究了电子束流不稳定性不同参数条件下的性质：(1)背景和束流电子的密度相同,并且都是冷电子时,激发的是双流不稳定性(Two-stream instability),在非线性阶段会产生电子相空间空洞(Electron phase-space hole),这些电子空洞除平行电场呈双极分布外,在强磁化等离子体中垂直方向电场产生的是四极结构,在弱磁化等离子体中垂直方向电场产生的是双极结构；(2)当考虑背景和束流电子都有相同的热速度的热流不稳定性(Warm beam instability)时,不稳定的激发需要电子束流速度大于约1.4倍的电子热速度,并在非线性阶段产生电子相空间空洞；(3)当研究束流的密度远小于背景电子密度的弱流不稳定性(Week beam instability)时,则激发的是朗缪尔波。 2、均匀等离子体中离子对电子相空间空洞的影响 我们研究了离子效应对电子空洞演化的影响,发现在弱磁化条件下,电子相空间空洞是因为切向不稳定性从而扭曲破裂；然而在强磁化条件下,对电子空洞演化起到决定性影响作用的就是低混杂波了。 此外,通过二维电磁程序我们得到了在电子双流不稳定性的过程中产生的电子相空间空洞。重点探讨了和电子相空间空洞相关的磁场信号特征。除了能看到Ey的单极结构和Ex的双极结构,由于切向不稳定性(Transverse instability)的影响还能看到单极的Ez的存在。在强磁化背景下,由于静电波产生的电子电流主导了扰动磁场的变化,δBx和δBy具有条纹结构,但是δBy强度太弱以至于难以看到。产生扰动磁场δBx和δBr的机制主要是电子相空间空洞里面捕获的电子在z方向的漂移运动产生电流引起的。而另外一个扰动磁场分量δB-的产生则是因为电子相空间空洞整体的宏观传播导致的。另外我们还发现在弱磁化等离子体中,电子的温度各向异性会激发电磁哨声波模(Electromagnetic whistler wave),电磁哨声波对电子空洞的结构也构成了一定的影响。 利用二维(x-y平面)静电模型,我们研究了电子相空间空洞的耗散和电子的加热机制。电子相空间空洞会因为切向不稳定性发生耗散,这种耗散可以分为两个阶段。在第一个阶段里,随着切向不稳定性的激发,电场垂直方向分量Ey增长并且显现出单极结构,电子相空间空洞发生扭曲形变,电子在穿过电子相空间空洞时被垂直电场Ey散射,电子在垂直方向被加热。在第二个阶段,电子相空间空洞从一个一维的结构破裂成许多二维的电子空洞,电子空洞外部的电子温度开始升高。最终,大部分的电场能转化为电子的热能。同时随着背景磁场的增加,垂直方向最大温度渐渐下降,而且达到最大温度需要的时间也大大增加。电子空洞对电子的加热效率大大下降了。 3、磁场重联中电子相空间空洞的性质 我们采用二维全粒子模拟,研究了反平行重联中分离线附近电子相空间空洞的一些细节特征：电子相空间空洞被证实出现在出流区和入流区的交界处：这些平行电场结构的强弱和X线附近的重联电场强度相当,空间尺度和电子惯性尺度相当；存在的时间尺度大约等同于数千个局地电子等离子体周期；更重要的是,在出现电子相空间空洞的区域,电子符合尾流不稳定性的分布函数,在这些区域入流和出流电子正好符合背景电子和快速束流电子的分布。在开始的时候,准线性静电波被尾流不稳定性激发了,这些单色波在非线性阶段会发生合并,最终发展为电子相空间空洞,电子相空间空洞会以一个和出流速度非常接近的速度沿着分离线内侧的磁力线离开X点向外传播。因此我们认为：本章节所研究的电子相空间空洞是由尾流不稳定性(Bump on tail instability)引起的。 我们采用了二维的全粒子模拟程序来研究非对称的电流片。和对称电流片磁场重联相比,非对称磁场重联没有典型的霍尔四极磁场(第三方向磁场)的存在,它的第三方向磁场呈现出X点左边为负值,X点右边为正值的特点。另外,和对称磁场重联不同的是,在非对称情形下,电场双极结构仅仅存在于上半边的两支分离线(低粒子密度的半边)附近。由于下面两支分离线附近的磁场比较弱,上面两支分离线附近的磁场比较强,而这种上下磁场的不对称性可能正好让下半边的两支分离线附近的电子相空间空洞容易受到切向不稳定性的影响从而导致被快速破坏,以至于我们很难看到在下面两支分离线附近存在电子相空间空洞。
【关键词】：电子相空间空洞 电子-电子束流不稳定性 全粒子数值模拟 无碰撞磁场重联 分离线
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P353
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 部分名词中英文对照9-12
• 第一章 导论12-44
• 1.1 地球磁层结构12-14
• 1.2 无碰撞磁场重联14-22
• 1.2.1 经典磁场重联模型16-19
• 1.2.2 无碰撞磁场重联19-21
• 1.2.3 双麦克斯韦分布的Harris电流片21-22
• 1.3 等离子体静电波22-28
• 1.3.1 非磁化等离子体中的静电波动22-24
• 1.3.2 磁化等离子体中的静电波动24-28
• 1.4 电子相空间空洞的观测结果28-30
• 1.5 双流不稳定性的线性理论30-33
• 1.6 电子相空间空洞(BGK模)33-34
• 1.7 电子相空间空洞在均匀等离子体中的理论研究结果34-38
• 1.8 电子相空间空洞在重联等离子体位形中的理论研究结果38-44
• 第二章 束流不稳定性的二维数值模拟研究44-66
• 2.1 二维静电模型44-45
• 2.2 电子-电子束流不稳定性45-66
• 2.2.1 电子-电子双流不稳定性(冷离子背景)47-51
• 2.2.2 电子-电子双流不稳定性(热离子背景)51-54
• 2.2.3 热流不稳定性(Warm beam instability)54-57
• 2.2.4 尾流不稳定性(Bump on tail instability)57-60
• 2.2.5 弱流不稳定性(Weak beam instability)60-66
• 第三章 均匀场中的电子相空间空洞研究66-86
• 3.1 离子动力学效应对电子空洞演化的影响66-71
• 3.2 双流不稳定性中电子相空间空洞产生的电磁模拟71-80
• 3.3 电子相空间空洞对电子的散射和加热研究80-86
• 第四章 磁场重联位形中的电子相空间空洞研究86-108
• 4.1 二维磁场重联的全粒子模拟86-92
• 4.2 反平行重联中的电子相空间空洞研究92-102
• 4.3 非对称重联中的电子相空间空洞研究102-108
• 总结108-110
• 参考文献110-118
• 致谢118-119
• 博士期间发表的文章119

【共引文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 汤朝灵;路立;李中元;;宁静期间双峰电流片的观测研究[J];地球物理学报;2007年04期

2 李世友;邓晓华;王敬芳;;ESW在磁尾磁场重联耗散区分形线附近的观测特性及其作用[J];地球物理学报;2009年04期

3 吴明雨;陆全明;朱洁;王沛然;王水;;Electromagnetic Particle-in-Cell Simulations of Electron Holes Formed During the Electron Two-Stream Instability[J];Plasma Science and Technology;2013年01期

4 胡友俊;杨维~，

本文编号：1094632