地球磁层磁重联现象的磁流体力学模拟

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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惯性尺度的结构。另外,在重联面内的Hall电流产生Hall四极型磁场结构。四极型磁场结构是Hall电流存在的显著特征,这样的磁场分布在分离线附近。在本文模拟中,考虑Hall效应后的无碰撞磁重联模型所达到的最大重联率约为0.11,重联率最大时刻四极型磁场最大约为0.12B0,重联面内的电流位形与Hall四极型磁场结构相对应。
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