電漿中磁旋轉不穩定性的研究

《電漿中磁旋轉不穩定性的研究》是依託中國科學技術大學，由吳征威擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：電漿中磁旋轉不穩定性的研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：吳征威
• 依託單位：中國科學技術大學

中文摘要

電漿中的磁旋轉不穩定性（MRI）是空間電漿中普遍存在的一種重要現象，是驅動電漿湍流的一種重要方式。磁場的存在使得原本在流體動力學範疇內穩定的體系產生了磁流體不穩定性，即使很微小的磁場也極大地改變了不穩定性發生的臨界條件。本課題基於磁流體力學（MHD）方程組，研究包括密度梯度、磁場不均勻性、各向異性熱傳導、各向異性的電阻和粘滯耗散在內的一些非理想效應以及塵埃顆粒的存在對電漿中磁旋轉不穩定性的影響，旨在獲得不穩定性判據以及得到增長率的解析表達式，深入探討這種不穩定性的物理機制。

結題摘要

磁旋轉不穩定性是由差分旋轉效應驅動的磁流體不穩定性，之前的絕大多數理論研究都是集中單磁流體力學領域，也即考慮長波擾動和頻率遠遠小於離子迴旋頻率範圍的電磁擾動。我們從描述電子和離子運動特性的雙流體方程組出發，利用柱坐標系統線性化方程組，最後得到色散關係。可以看出，雙流體模型下，不穩定性區域由原來的一個變成四個，其中，第二個不穩定性區域在低頻和長波近似下退回為經典判據，而另外三個不穩定性區域則是純粹由雙流體效應引入的，在單磁流體力學框架下並不存在，反映的是擾動在高頻回響下的特徵。我們利用包含各向異性熱流函式的磁流體力學方程組描述無碰撞電漿，考察差分旋轉系統中各向異性的熱壓效應對磁旋轉不穩定性的影響，得到新的色散關係。對上述色散關係的分析表明，各向異性熱壓效應不僅修正了經典的不穩定性判據，同時還引入了新的不穩定區域。而對於各向同性電漿，考慮自重力勢效應後，假定電漿壓強和密度分布均勻，則發現自重力勢、差分旋轉效應、徑向波數等都會影響磁旋轉不穩定性的生成與發展。利用理想磁流體力學方程組，假設電漿不可壓縮，考慮軸向磁場，我們得到了描述徑向擾動磁場的二階微分方程。在小環向波數近似下，重點考察密度梯度標長對不穩定性的作用，分析發現：當電漿密度沿徑向向外增加時，密度梯度對不穩定性起抑制作用，驅動系統穩定；當密度沿徑向向外減小時，則偏向驅動不穩定性的發生。在忽略密度梯度效應而關注非軸對稱效應的情況下，我們求得了非軸對稱效應修正下的色散關係以及弱場極限下的不穩定性判據。與密度梯度效應類似的是，此時的非軸對稱效應對磁化電漿中的旋轉不穩定性發生的臨界條件沒有任何影響。在阿爾分頻率較小的時候，增長率隨著頻率的增大而增大；阿爾分頻率超過某一臨界值後，增長率隨頻率的增大而減小，最終，磁場足夠大的時候，不穩定性會被完全抑制。利用多流體模型研究了塵埃電漿中的磁旋轉不穩定性，並基於局域近似得到了一般色散關係。塵埃顆粒在低頻模下對促成該不穩定性的發展起到了重要作用。無論是不穩定性的判據還是增長率都受到塵埃的顯著影響，而當塵埃顆粒特別沉無法被擾動時，我們也推導出了相應衰變的色散關係。當旋轉頻率外向降低時塵埃顆粒有致穩作用，相反的旋轉頻率升高時，不穩定性判據表明塵埃顆粒是退穩的。這一結果對理解原行星吸積盤的形成與發展很有幫助。