【摘 要】
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磁场重联作为一种将电磁场能量转化为等离子体能量的物理过程,广泛地存在于实验室和各种空间等离子体环境中,在许多重要的动理学过程中扮演着重要角色。它不仅关系着太阳风与磁层耦合的磁层动力学过程,还可能对磁约束等离子体聚变能量的实现起重要作用。研究磁场重联的物理过程有助于理解太阳耀斑等爆发现象,还有助于探究湍流等复杂的动理学过程。由于三维空间中的磁场与等离子体之间的相互作用具有多耦合的复杂性与多样性,三维
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磁场重联作为一种将电磁场能量转化为等离子体能量的物理过程,广泛地存在于实验室和各种空间等离子体环境中,在许多重要的动理学过程中扮演着重要角色。它不仅关系着太阳风与磁层耦合的磁层动力学过程,还可能对磁约束等离子体聚变能量的实现起重要作用。研究磁场重联的物理过程有助于理解太阳耀斑等爆发现象,还有助于探究湍流等复杂的动理学过程。由于三维空间中的磁场与等离子体之间的相互作用具有多耦合的复杂性与多样性,三维磁场重联的解析及其动力学过程一直是磁场重联研究领域的前沿难题之一。主流的三维磁场重联解析理论没有考虑时间的变化,而考虑时间变化的解析理论没有讨论磁场与等离子体之间的相互作用,且目前的解析理论过于依赖磁场与流场的位形,没有讨论一般的情况。基于现有解析理论方法,针对其局限性,通过从理论方程中考虑时间因素,系统地分析了时变系统中等离子体流特性,进而对磁场位形进行一般化拓展,讨论了时变系统中稳恒流的存在情况。主要研究结果如下:在时变磁扩散系数模型中,等离子体流集中分布在中心点附近的小区域内,重联区域上下方仍存在反向旋转流,流场的整体位形不随时空尺度的变化而变化。由于理论方程的耦合,时间因子的引入只改变速度大小,不改变流场分布。在时变磁场模型中,小尺度内的等离子体流呈现出“四极不对称”分布或呈现出一种“螺旋辐射状”分布,这两种分布都随时空尺度逐渐弥散。分析得到时变模型中影响等离子体流速度分布的物理因素主要是磁矢势。首次推导得到了一般情况下时变系统中等离子体流速度关于时间和空间变量的隐函数形式。初步分析了一般情况下时变系统中稳恒流的存在情况,发现非稳态系统中稳恒流难以存在。提炼整合得到时变体系稳恒流的存在条件仅有29种。进一步尝试对29种稳恒流存在条件进行解析,推导得到5种有特殊物理意义的稳恒等离子体流存在条件。其中的一种条件只对空间变量有约束,而另外的四种稳恒等离子体流存在条件对应着一些时间因子的特解。最后应用到磁重联问题,讨论了常见的几种磁场位形中稳恒流存在的情况。这些研究有助于我们加深对磁场的时空变化、磁场重联与等离子体流相互作用及磁场重联中能量转换过程的理解。
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