磁場重聯(lián)中動理學阿爾芬波的三維混合數(shù)值模擬研究.pdf

1、磁場重聯(lián)是空間等離子體、低溫等離子體以及聚變等離子體中一種常見的磁場拓撲結構改變的現(xiàn)象，伴隨著顯著的能量交換，是等離子體加速、加熱以及一些不穩(wěn)定性的重要驅動因素。在對磁場重聯(lián)的衛(wèi)星觀測研究中，發(fā)現(xiàn)了很多大尺度的磁流體力學波以及一些小尺度的動理學波，其中，阿爾芬波是一種很重要的磁流體波。衛(wèi)星觀測表明，在磁層和電離層的耦合過程中，阿爾芬波起著重要作用。不過，因為沒有平行于磁場方向的電場擾動，阿爾芬波不能解釋在地磁亞暴期間磁層與電離層耦合過程

2、中，帶電粒子在平行方向上的加速現(xiàn)象。此外，衛(wèi)星觀測也發(fā)現(xiàn)在重聯(lián)過程中，存在著整體流速大于阿爾芬速度的帶電粒子流。這說明，存在著某種機制可以突破傳統(tǒng)的阿爾芬波速度的限制。研究表明，當存在離子回旋半徑尺度上的垂直擾動時，阿爾芬波會被離子的動理學效應修正，成為有色散的波，即動理學阿爾芬波(KAW)。KAW可以以超阿爾芬(super-Alfvénic)速度沿著磁場傳播，同時具有平行方向的電場擾動，也會攜帶著平行方向的能量通量。所以，KAW可能對

3、重聯(lián)中的高速粒子的形成有一定的作用，也可以為粒子在平行方向的加速提供合理解釋，還可以為亞暴期間極區(qū)極光增亮現(xiàn)象提供能量來源。所以，磁場重聯(lián)中的阿爾芬波的動理學修正具有重要的研究意義。此外，衛(wèi)星觀測的研究還指出，磁尾的爆發(fā)性整體流(BBFs)與各種獨立尺度X線的重聯(lián)過程是磁尾能量輸運的主要過程。所以，對不同X線尺度的重聯(lián)研究也具有重要意義。衛(wèi)星觀測研究發(fā)現(xiàn)了空間中KAW存在的證據，并且認為這與重聯(lián)過程有關。但是，目前對重聯(lián)中KAW的數(shù)值模

4、擬研究工作，特別是，對三維重聯(lián)中KAW的產生與特性、傳播與阻尼過程以及能量傳遞過程的研究還比較少。此外，重聯(lián)中產生的KAW在等離子體加速與加熱現(xiàn)象中是否具有重要的作用以及加熱的物理機制等問題也是尚待研究的重要問題。
　　等離子體的混合模型，即將離子視為具有完全動理學效應的粒子，而將電子視為無質量的流體，可以有效地描述離子尺度的物理過程，同時也可以對更大的空間尺度進行模擬。本文通過三維混合的局域模型，模擬了多種導向場強度與X線長度下

5、的磁場重聯(lián)過程，并對其中動理學阿爾芬波的產生與判定、波結構的特性、傳播與阻尼過程、能量傳遞過程及其在粒子加速和加熱現(xiàn)象中的作用等重要問題進行了系統(tǒng)地研究。主要的結果如下:
　　(1)無限長單X線重聯(lián)中的KAW
　　在無限長單X線的重聯(lián)中，發(fā)現(xiàn)無論是否存在導向場，重聯(lián)的擾動結構都是具有二維特征的。在重聯(lián)隆起的區(qū)域，發(fā)現(xiàn)了動理學阿爾芬波擾動結構的存在。這個擾動從X線中產生，快速地沿著磁場傳播出去，并在隆起區(qū)附近的分型線處形成一個

6、拉長的結構，具有較高的垂直波數(shù)。通過對擾動結構的特性、傳播速度以及極化關系的分析與討論，發(fā)現(xiàn)這個擾動結構是KAW。當導向場為零時，在重聯(lián)區(qū)中的離子擴散區(qū)附近，垂直重聯(lián)面磁場分量具有霍爾四極結構的特點。在這一區(qū)域中，也發(fā)現(xiàn)了哨聲波模的存在。它們是準穩(wěn)定的，并且不會傳播。哨聲模和KAW都是從X線中產生，并且同時存在，只是不在相同的區(qū)域中。當導向場不為零時，離子擴散區(qū)附近的霍爾四極磁場分量以及哨聲模結構都不再存在。此外，還通過坡印廷通量研究了

7、動理學阿爾芬波所攜帶的能量。結果發(fā)現(xiàn)，當導向場為零時，動理學阿爾芬波可以攜帶約7.5％-8％釋放的磁能;而當導向場不為零時，波可以攜帶約為18.6％釋放的磁能。當存在一定強度的導向場時，阿爾芬波?？梢詳y帶的能量幾乎是不存在導向場時的2倍左右。這說明，導向場的存在可以在局域加強阿爾芬波模的幅值。
　　(2)有限長單X線與多X線重聯(lián)中的KAW
　　當存在單一有限長X線且存在一定強度的導向場時，磁場重聯(lián)中的擾動結構是三維的。發(fā)現(xiàn)，

8、此時，在下游出流區(qū)的分型線附近，依然存在著具有動理學阿爾芬波特性的擾動結構。通過對其特征尺度、傳播與色散關系的分析，同樣證實其為KAW擾動。通過追蹤峰值的傳播，研究了KAW的阻尼。結果發(fā)現(xiàn)，KAW擾動存在衰減的跡象，并且擁有約為-0.0035--0.0062的阻尼率。不過在這個阻尼率下，KAW是可以從磁尾重聯(lián)X線附近攜帶者能量傳播到電離層中的。此外，研究了導向場強度的作用并且發(fā)現(xiàn)，導向場大小對重聯(lián)區(qū)的擾動結構有影響。此外，當導向場強度適

9、中時，KAW會攜帶更高的能量通量與能量。最后，還研究了三維多X線重聯(lián)中的波動結構。通過對比分析，發(fā)現(xiàn)其中每個X線的擾動結構都與單X線重聯(lián)中的KAW的結構相似，可以將單X線重聯(lián)中分析的結果用于解釋多X線重聯(lián)中的波動現(xiàn)象。此外，通過將模擬結果與衛(wèi)星觀測的結果進行對比，發(fā)現(xiàn)在KAW的極化、譜密度分布、能量輸運以及對離子的加熱率等方面都比較一致。
　　(3)KAW對離子的加速與加熱
　　通過記錄波在傳播路徑上不同區(qū)域的離子速度分布，

10、發(fā)現(xiàn)，當波到達某個區(qū)域時，離子的速度分布不再是麥克斯韋分布，在平行方向上會產生一個被加速的離子束，并且具有和波的相速度大小相等的整體流速。除此之外，在離子的速度分布的變化中，還發(fā)現(xiàn)了離子可以在平行與垂直方向上被加熱的現(xiàn)象。在波剛剛經過離子所在區(qū)域時，離子會被加速。此時，由于離子的平行速度尚且較小，回旋共振或分數(shù)共振條件仍然近似滿足。于是，離子在垂直方向上被隨機加熱。隨著離子在平行方向上被不斷地加速并達到波的相速度大小，離子會被波場捕獲。

11、此時，朗道共振取代回旋或分數(shù)共振，在平行方向上對離子進行加熱。對于全部離子來說，由于波擾動不斷地產生并不斷地加速背景離子，離子的垂直與平行方向的加熱可以同時出現(xiàn)。此外，還發(fā)現(xiàn)離子束與背景等離子體之間存在著相互作用。這種相互作用會通過消耗離子能量來激發(fā)離子束不穩(wěn)定性，從而使離子垂直溫度出現(xiàn)短暫下降。當兩個離子束融合為一后，離子束不穩(wěn)定性的影響逐漸減弱，波與離子的非線性相互作用再一次加熱離子，使得離子的溫度再次上升。總結來說，KAW對離子加

12、速與加熱的證據有以下幾點:一是離子平行速度可以被加速到KAW相速度的大小;二是KAW的阻尼率與離子束的加熱率在數(shù)值上是一致的;三是離子的垂直溫度與KAW的特征電磁場擾動之間存在著相關的變化關系。
　　通過以上研究結果，發(fā)現(xiàn)了重聯(lián)過程中動理學阿爾芬波的主要特點，即廣泛地存在于重聯(lián)的隆起區(qū)域，具有較大的垂直波數(shù)，以略高于阿爾芬速度的速度沿著磁場方向傳播，并在這一過程中可以通過不同的機制引起離子的加速與加熱現(xiàn)象。這些結果有助于解釋衛(wèi)星觀