《磁尾等離子片中偶極化鋒面的數值模擬研究》是依託北京航空航天大學，由呂浩宇擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：磁尾等離子片中偶極化鋒面的數值模擬研究
- 依託單位：北京航空航天大學
- 項目負責人：呂浩宇
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
磁層電漿片中的偶極化鋒面與磁尾中粒子和能量，以及亞暴之間具有密切聯繫，因而受到學術界的廣泛關注。然而受限於觀測數據以及數值模擬模型方程和方法的欠缺，目前鋒面形成機制、演化和電流特徵等尚不完全清楚。本項目擬採用考慮離子動力學效應的磁流體模型方程組研究鋒面的形成機制和演化特性，通過與觀測數據比較，研究離子動力學尺度內鋒面在高速流剎車和瞬態重聯等多種不同產生機制條件下的物理特性，確定鋒面與高速流、磁重聯、電漿不穩定性過程的關係。本項目的實施將加深人們對偶極化鋒面產生機制，結構與物理特性的理解，為進一步探索磁尾電漿片動力學過程以及亞暴觸發等現象提供重要科學依據。
結題摘要
偶極化鋒面是磁尾能量輸運系統中很重要的現象，對其研究有重要意義。已有研究表明偶極化鋒面的產生機制可以包括由磁尾地向BBF頭部產生，還可能通過近磁尾出現的交換不穩定性產生。本項目首先利用守恆型TVD格式對八波模型磁流體方程組的數值模擬研究了磁尾中由BBF產生偶極化鋒面的物理和演化特性。構建了由BBF類型通量管機制產生的偶極化鋒面的數值模擬模型，該模型由磁尾平衡模型、亞暴增長相模型和亞暴觸發及BBF形成模型三部分組成。數值模擬結果很好地再現了磁尾中BBF類型通量管機制產生的偶極化鋒面的特性。伴隨著高速流的出現，磁場Bz分量呈非對稱雙極變化結構，即鋒面前減小為負值，在鋒面上急劇增大。當Bz增大到極大值後回落並趨於穩定。隨著偶極化鋒面伴隨著地向高速流向地球運動，偶極化鋒面上Bz的變化越來越小。偶極化鋒面之前，熱壓梯度力由尾向變為地向，使得電漿受到地向合力作用而加速。在偶極化鋒面之後電漿受到指向尾向的合力而減速，主要是由熱壓梯度力的增大引起。 其次，本項目利用考慮了Hall效應和有限Larmor半徑(FLR)效應的磁流體數值模擬研究了在離子慣性長度/離子Larmor半徑尺度內偶極化鋒面的動力學特性。偶極化鋒面由磁尾近地區域中由於熱壓尾向梯度和磁場曲率力不平衡所引起的交換不穩定性自洽產生。數值研究表明，偶極化鋒面是切向間斷，在相對該鋒面結構靜止的參考系中電漿穿過偶極化鋒面的法向速度為零。Hall效應主要影響與偶極化鋒面的切平面相正交的電場，使得鋒面切向電流增大，同時產生鋒面結構不對稱。研究表明離子在Larmor半徑尺度產生的FLR效應可導致鋒面結構的大尺度漂移運動。由FLR效應產生的離子磁化流速在偶極化鋒面的日下點處指向昏向，鋒面後區域的速度晨向分量增長，從而導致整個鋒面結構向晨向漂移。另外本項目通過試驗粒子模擬方法研究離子在鋒面上的加速過程。模擬結果表明，高能離子（＞13.5keV）的初始位置分布大致呈晨昏方向非對稱的半圓環狀，它們最終會在鋒面晨側區域聚集。離子能量增加是發生在它們在晨側電場Ey的作用下，沿鋒面晨側尾向漂移的過程中。
