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在许多快速,宏观的等离子体物理过程当中,磁场重联都扮演着关键性的角色。因此对磁场重联的深入研究是非常必要的。
数值模拟是一种基于计算机技术的研究物理过程的方法,而粒子模拟又是其中最直观的一种,它是以牛顿定律和麦克斯韦方程组为基础,通过统计的方法计算模拟空间的电磁场,然后将场作用于粒子之上,推动并加速粒子。经过多次循环从而完成整个系统的演化。我们通过使用空间二维粒子模拟模型对无碰撞磁场重联进行了研究,得到了一些有意思的结果。
对周期性边界条件下磁场重联的研究发现,在初始电流片对称的情况下:(1)电子沿分离面流出重联区,且关于电流片对称;(2)在分离面附近的垂直电场E<,z>的值很小,其空间尺度远大于局域的电子的德拜长度;(3)空间导向磁场B<,y>呈现明显的4极结构。在初始垂直电流片方向存在温度梯度,即电流片为非对称的情况下:(1)在高温低密度一侧(磁层侧),电子沿分离面快速流出重联区,形成一个很强的Jet;而在低温高密度的一侧(磁鞘侧)没有出现这种Jet;(2)在磁层侧分离面附近出现一个很强的正的垂直电场E<,z>结构,其空间尺度很窄,与局域的电子德拜长度同一量级。在电流片两侧温度比为T<,as>/T<,am>=0.2的情况下,该垂直电场的半高宽度约为局域电子德拜长度的三倍,在磁鞘侧没有观察到这种结构;(3)导向磁场B<,y>呈现双极结构且主要分布在磁鞘侧。这些垂直电场和导向磁场结构在2004年一月极轨卫星(Polar satellite)穿越磁层顶过程中被观测到。
在周期性边界条件的粒子模拟模型的基础上,我们开发了边界完全开放的粒子模拟程序。对开放边界条件下磁场重联的研究发现:(1)对入流区磁场使用0梯度(ZG)边界条件,等离子体和磁场不能有效进入系统,重联率会持续下降。如果使用电磁波(EM)和磁声波(MS)作为边界条件,系统均能够达到一个准稳态,EM边界条件下的稳态重联率E<,r>≈0.08要低于MS边界条件下的E<,r>≈0.13:(2)在初始电流片半厚度给定为一个离子的趋肤深度的情况下,重联率的峰值独立于系统的长度,而准稳态时重联区长度与系统长度满足线性关系,因而重联率与系统长度的倒数成线性关系;(3)在初始系统.尺度给定为L<,x>×L<,z>=50d<,i>×25d<,i>的情况下,重联率的峰值与初始电流片厚度的关系基本满足log<,10>E<,r>~log<,10>(d<,i>/a)<1/2>,且在a≥2d<,i>的系统中容易出现二级磁岛,重联趋向于间歇式的。