多电流等离子体中的磁岛链不稳定性

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jovkin
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磁重联是指磁力线拓扑结构的重新排列,是等离子体中的一个重要自组织过程。在磁重联过程中,通过加速或加热等离子体,系统可以将自身储存的磁能转化为等离子体的动能。地球磁层、太阳耀斑的演化过程都伴随有磁重联现象,并且这一现象被认为会发生于繁星的形成过程中。发生于太阳系中的一些有关磁重联事件的典型时间尺度证明了快速重联的存在。近年来,在磁重联理论中的重要进展为快速磁重联的发生机制提供了更加具有说服力的解释。其中之一就是磁岛链不稳定性的解释。当等离子体伦德奎斯特数(S)超过临界值时,这一超级阿尔芬不稳定性将发生在被拉长的电流片上。由于磁岛链的形成、发展、聚集、以及喷射,使得大尺寸的电流片最终被分解,这一现象被认为是形成快速磁重联的一种可能机制。在过去的20年,大量的磁岛链从空间、天体物理到磁约束实验室等离子体中被观察到,并且有关磁岛链的许多特性可以直接被数值模拟结果所证实。然而,以前许多有关磁岛链的数值模拟工作中更多的关注于对重联的研究,因此研究仅仅局限于单电流片系统中,在这样的系统中重联率通常随着S的增加而减小,或者不依赖于S的变化。事实上,在很多真实的重联的过程中,系统通常是一个多电流系统,如空间等离子体或托卡马克等离子体。众所周知,这样的系统会受双撕裂模(DTM),甚至是三撕裂模的影响。有趣的是,在整个系统中相邻电流片的相互作用会产生新的不同时空尺度的物理机制,与单电流片系统相比它有着不同的特性。例如,重联率很快的双撕裂模对S的依赖性很小。我们利用简化的线性MHD模型研究了由大S(S≥105)导致高重联率情况下的大尺度的双撕裂模。分析结果表明,如果两个电流片之间的距离足够小[kxs<<k2/9SL1/3],在非常数磁通情况下双撕裂模的增长率正比于k2/3SL0。其中,k=kLCS/2是在体系的半长度下所测的波矢,2xs是两个共振层之间的距离,SL=LCSVA/2η是伦德奎斯特数,vA和η分别代表阿尔芬速度和等离子体电阻率。在常数磁通情况下,如果两个共振层之间的距离非常大,则双撕裂模的增长率正比于k-2/5SL2/5。此外,解析结果还表明,在这两种体系(常数磁通和非常数磁通)的转换处所对应的最大波数正比于xs-9/7S3/7,相应最大增长率正比于xx-6/7SL2/7。解析预测的结果在一定范围内已经被数值模拟所证实。此外,基于二维的电阻MHD模型,我们研究了在双电流系统中的磁岛链形成的非线性过程。这一物理过程与单电流片模型所得到的结果有着本质的区别。我们的非线性模拟结果表明,由于相邻电流层之间的相互作用,双撕裂模重联形成的电流层会自洽的变为被拉长的电流片,这对磁岛链有去稳作用。有意思的是,当在电流片上的流驱动变强时,占优的磁岛链的增长率随着S的增加而增加,因此导致非常快的重联。而且,当不断增长的磁岛链对双撕裂模磁岛的挤压足够强时,在磁岛的分界面上会形成一个新的自驱动电流片,这通常对磁岛链也有去稳作用。通过改变系统极向的大小,我们还发现了在双撕裂模非线性阶段中的基本过程。由于系统尺寸在极向的增加,使次级电流片变得更长从而产生更多的磁岛链。结果表明,对于小尺寸的研究系统而言,磁岛链的个数与η并无明确的依赖关系;然而对于大尺寸的研究系统,磁岛链的个数正比于~η-1。此外,增加系统的电流长度将减弱巨型磁岛链的初始增长率对η的依赖,但是在大S的情况下仍然存在快速的重联。这与单电流片系统的重联率有本质性的区别,这是因为通常对于单电流片系统重联率与η成反比,或是不依赖于η。另外,在高S阶段,巨型磁岛链的最大径向宽度随电流长度的增加而明显的增加,正比于~η-0.4。最后,我们在平板位形中研究了两个电流片之间存在对称和反对称剪切流时具有大S(伦德奎斯特数)的双撕裂模的线性特性。研究结果表明,随着反对称剪切流幅值的增加,双撕裂模偶对称和奇对称的本征态都会被显著的激发。有趣是,当波矢ky超过临界值ky时,这两个本征态所对应的增长率将合并到一起,但是它们的实频却相等。对于剪切幅值小的情况,临界点kyc存在于常数磁通的范畴,并且随着剪切幅值的增加临界点的位置渐渐的进入非常数磁通的范畴。另外,波矢的临界值kyc随着剪切幅值的增加而减小,并且还依赖于等离子体的电阻率和两个共振面之间的距离。
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