一些行星际复合结构的动力学和地磁效应的MHD数值模拟

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作为联接太阳和地球的纽带,行星际空间是空间天气的链锁反应的一个关键环节。“多重磁云”和“激波追赶磁云”是两类特殊的行星际复合结构,都被观测证实为大地磁暴的重要的行星际起源。本文主要从动力学和后随的地磁效应入手,紧密结合飞船的观测,运用MHD数值模拟,对“多重磁云”和“激波追赶磁云”进行了综合的研究。主要结果归纳为如下3条:1.完成了日球层子午面内的2.5维数值计算程序,为物理问题的研究提供了必要的前提。基于激波捕捉法的复合格式建立了源程序。它能数值求解间断解和复杂的光滑结构相互作用的数学问题,能保证在数值计算中实现磁场的无散条件,从而能模拟激波进入磁云的物理图像。2.分别对激波—磁云的“正对碰撞”和“倾斜碰撞”进行了数值模拟。瞬变激波首先追赶上前导磁云,然后进入磁云的低β介质中传播,最终与磁云本体驱动的激波完全融合为一支强度更大的复合激波。激波沿着其波阵面的法向压缩磁云的本体。在激波穿越磁云后,原先被高度压缩的磁云本体在其内禀磁弹性的作用下会逐渐恢复为扁圆的几何形态。激波对磁云内禀磁力线的压缩和旋转被证实是增强地磁效应的有效机制。而且,激波进入磁云的不同深度,引起的地磁扰动也不同。在强激波的不同传播方向的情况下,对应于最大地磁暴的激波穿越位置都恰好是磁云的中心。如果用Dst指数来量化地磁效应,模拟结果表明在瞬变激波的作用下,单独磁云事件的地磁效应大大增加,最高可达80%。进一步,发现激波倾斜穿越磁云会导致磁云偏转并找到该偏转效应对初始激波强度和方向的依赖关系。当激波以倾斜的方式在磁云的本体中传播时,磁云的本体和激波的远日点同时发生朝向相反方向的偏转。磁云和激波的初始抛射方位之间适度的角度差导致磁云本体的最大偏转。瞬变激波的强度越强,磁云的偏转角就越大。所以,磁云和其它行星际扰动的相互作用是行星际CME在传播中偏转的一个起因。3.对由双磁云“正对碰撞”而形成的多重磁云展开了数值模拟。初始时低速的前导磁云(磁云1)和高速的后随磁云(磁云2)先后沿着日球层赤道抛射到行星际空间。双磁云的耦合涉及到磁云1本体、磁云1驱动的激波、磁云2本体、磁云2驱动的激波之间发生充分的相互作用。当磁云2驱动的激波穿越磁云1本体后,磁云2本体的推挤效应能继续压制住磁云1的内禀磁弹性,抑制已经被高度压缩的磁云1出现几何形态的恢复。随着双重磁云演化的进行,每个子磁云受到越来越大的压缩,其内禀的磁弹性也变得越来越坚硬。当内禀磁弹性不断增强以至于能抗衡外在压缩时,多重磁云的可压缩程度就到了最大值。该截止的可压缩程度决定了多重磁云的最大地磁效应,因为“多重磁云”和“激波穿越磁云”作为引起大地磁暴的两个重要的行星际源,其本质在于在南向磁场事件中存在着强烈的压缩效应。在多重磁云的形成、传播、演化以及后随地磁效应中,磁弹性、每个子磁云的磁螺度、子磁云之间的相互压缩都是关键的物理因素。
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