天体物理和空间物理中辐射磁流体动力学数值模拟研究现状与展望

宇宙中超过99%的重子物质都是等离子体,磁场在其中广泛存在且与等离子体相互作用.另外,辐射也往往对于这些等离子体的动力学起着重要影响.因此,完整描述这些等离子体的基本物理规律依赖于辐射磁流体动力学.由于非线性以及物理上多尺度耦合的特征,数值模拟在求解辐射磁流体动力学方程中起着重要的作用.近年来,由于技术及软硬件的快速发展,数值模拟的作用越来越显著,已经与观测、理论一起,发展成为了3种主要的研究方法.本文综述辐射磁流体动力学的数值模拟在天体物理(包含太阳物理)以及空间物理领域的研究现状,并对未来的发展进行展望.     

地球磁尾两种不同类型磁结构形成机理

观测表明,横越磁尾等离子体片和尾瓣的磁场By分量正比于行星际磁场By分量,并且行星际磁场与等离子体团内By分量极性相同,因此磁尾等离子体团应该是一个三维结构。以两类磁静平衡解为初态。对亚暴期间磁尾动力学过程作二维三分量模拟研究。数值结果展示了By分量两类不同的演化特征,它们分别与具有通量绳核心的磁结构及类似于“闭合环”等离子体团型磁结构相对应。由此认为,亚暴期间在地球磁尾中出现不同拓扑位形的磁结构可能与具有不同By分量分布形态的磁场重联有关。     

稀薄等离子体流中物体的阻力

常温气体自由分子流条件下典型形状的物体(如平板、圆柱、圆球等)的阻力计算式早已确立,本文进一步处理高温电离气体条件下的阻力问题,这将对颗粒状原料的热等离子体加工的数值模拟有用,因为在许多情况下(如低压等离子体喷涂),气体粒子的平均自由程长度与被加工的颗粒的直径相比是如此之大,以致流动状况处于自由分子流或近自由分子流区。     

流动撕裂模不稳定性的非线性饱和

飞船观测资料表明在地球磁尾和等离子体彗尾中经常存在高速等离子体流动。ISEE 3飞船资料指出,在远磁尾(|x|=100-200R_E,R_E是地球半径)等离子体片中尾向等离子体流动是超Alfvén速的,速度在200-1200km·s~(-1)范围,平均速率为500km·s~(-1)。ICE飞船资料表明在Giacobini-Zinner彗星尾瓣中等离子体流动速度约为200km·s~(-1)。电流片     

磁约束等离子体中的射频波电流驱动和流驱动

射频波可以进入聚变等离子体,通过无碰撞机制将能量和动量沉积于其中,在加热等离子体的同时,还可以驱动等离子体电流和等离子体流.等离子体电流的非感应维持是托卡马克类型聚变装置稳态运行的关键,而电流剖面的控制及等离子体流的存在对于抑制磁流体不稳定性、建立和维持高性能的约束模式至关重要,因此射频波电流驱动和流驱动在磁约束聚变等离子体物理研究中有重要意义.本文从等离子体中波与粒子相互作用的基本物理出发,对磁约束等离子体中射频波电流驱动和流驱动的研究现状、面临的挑战、以及可能的研究趋势进行了简要评述.几个关键问题被特别指出,包括:共振吸收机制与高密度下射频波电流驱动效率衰减的内在联系;非共振驱动机制的可行性探讨;从动量获取和动量弛豫的平衡关系出发探索共振机制下提高驱动效率的可能性;流驱动中射频波的直接驱动和间接驱动效应,尤其是射频波有质动力效应;射频波耦合和传播过程中复杂的非线性过程对电流驱动和流驱动的影响等.     

磁尾磁重联湍动区域内磁零点簇的演化

正磁重联是等离子体中改变磁场拓扑形态并将磁能转化为粒子的动能和热能的物理过程,是空间等离子体物理领域重大的理论基础问题.在三维磁重联理论中,磁零点(磁场为零的点)是磁场拓扑结构的组成要素.在2001年10月1日~09:43:45 UT,C l u s t e r卫星簇穿越了磁尾磁重联区,卫星观测到磁场的Bz分量存在双极变     

关于高n气球模的第二稳定区

环流器(tokamak)中等离子体关于高n气球模(n为环向模数)的稳定性将由每一磁面上的本征模方程的解所确定。对于圆截面环流器,在邻近磁轴区域中,可以用力线的剪切s=     

磁云边界层中等离子体波的Wind飞船观测

根据Wind飞船上工作频率在4~256 kHz的热噪声接收器(TNR)的等离子体波和相关太阳风与磁场的观测资料, 我们分析了60余个磁云边界层样本中的等离子体波活动, 首次发现磁云边界层(BL)中常常存在不同于邻近太阳风(SW)和磁云体(MC)中的、丰富多姿的等离子体波活动. 它的一些基本特征是: 在电子等离子体频率(f_pe)附近的朗缪尔波增强是磁云边界层中最占优势的一种波活动, 约占总样本数的75%; 朗缪尔波和频率f < f_pe的离子声波活动都增强的事件, 约占所研究样本的60%; 也在一些边界层中于热噪声接收器整个频段内观测到一种宽频带的等离子体波活动增强现象, 约占研究样本的30%, 这在研究样本中的邻近太阳风和磁云体中没有观测到; 此外, 分析还揭示, 电子与质子温度比T_e/T_p≤1时还常能在磁云边界层中观测到离子声波增强活动, 传统的等离子体理论遇到了解释上的困难. 文中的新结果进一步说明磁云边界层是一种重要的动力学结构, 它将对了解磁云边界层物理提供重要的诊断, 也为发展空间等离子体波理论开拓新的空间.     

Cluster星簇对中磁尾尾瓣持续磁重联观测研究

当行星际磁场持续南向时, 磁尾尾瓣区积蓄大量的磁能, 出现强的晨昏电场. 此时中磁尾磁重联进行得深入持久, 在等离子体片闭合磁场和等离子体被带出重联区之后, 尾瓣区的磁场和等离子体不断进入重联区, 这种重联过程称之为“持续尾瓣重联”(CLR). 分析2001~2003年期间欧空局Cluster星簇对中磁尾的观测数据, 发现CLR除导致磁场形态改变和产生高速流外, 重联区出现空泡, 多数空泡中等离子体密度和温度下降两个数量级(少数为一个数量级). 空泡结束后, 密度较重联前低, 温度略有升高. CLR的持续时间一般为几十分钟, 它同行星际磁场持续南向发生的强亚暴有很好的相关性.     

环向等离子体转动对离子能量输运的影响

托克马克等离子体的能量反常输运是等离子体物理及受控热核聚变研究中多年未解决的难题.通常认为,等离子体湍动导致了反常输运.但是,目前依然不清楚:湍动是反常输运的唯一机制或仅为机制之一?因此,其它途径的探索依然是必要的.本文从经典途径分析了等离子体环向流动(或转动)对离子能量输运的影响.这里的基本思想是这样的:托克马克等离子体的转动可使等离子体等压强面(或等内能面)与磁面分离、等T_i面与磁面分离(T_i为离     

磁场重联扩散区域中磁零点结构的观测研究

磁重联是能量转换的非常重要的基本等离子体物理过程之一. 过去磁场重联的理论、数值模拟和观测研究, 大多是集中在二维模型下进行, 而实际的磁场重联涉及三维非线性过程, 对于三维情况下磁场重联及其相关的奇异结构的基本性质现在还未完全解决. 通过高斯积分引入Poincaré指数, 将其离散化, 利用Cluster四颗卫星所测得的磁场, 研究了磁场重联扩散区中磁零点结构, 通过计算零点位置和轨迹, 估算了其运动速度和轨迹, 并结合零点附近电流的特征将观测与零点重联模型进行了比较和讨论.     

THEMIS双卫星对磁尾高速流减速的联合观测

磁尾等离子体片高速流的运动和减速过程对于磁层粒子的加速、磁场的扰动、磁通量的输运和亚暴的触发以及磁尾电流系统的形成都具有重要意义.2009年2~4月,THEMIS卫星中的2颗星(THA和THE)在空间中经常具有相近的XGSM和YGSM坐标,但具有差别较大的ZGSM坐标.我们利用这种特殊构型的2颗卫星对经过等离子体片中心和边界层附近的高速流进行了联合观测研究.通过个例和统计分析发现,在89%的地向高速流事件中,距离中性片较远的卫星先观测到高速流,其速度以平行于磁场的分量为主,并且95%的事件中距离中性片较远的卫星所探测到高速流X分量的速度最大值要比在片中心探测到的高速流数值更大.假设等离子体片边界层附近的平行高速流匀速传播,而对于中心等离子体片的高速流,我们分别应用匀减速模型与突然减速模型进行分析,发现高速流减速起始的位置大部分位于距离地球15 Re的区域,这与中磁尾重联发生区域比较接近.此外,统计结果表明等离子体片中心高速流前端往往伴随着明显的偶极化锋面特征,而远离中性片的地方偶极化锋面的特征则不明显.     

太空中的磁爆

在地球大气层边缘发生的强烈磁爆是一种罕见的能源爆炸的结果———电流高速穿过稀薄的电离气体(等离子体 ) ,正是这种等离子体形成了磁球。磁爆的寿命可从 1个半小时至几天 ,能在天空产生明亮的极光 ,有时会干扰卫星通信。为了探索磁爆中磁能的高速释放 ,这一点类似于太阳大气中的爆炸———耀斑 ,它已让科学家困惑了近 4 0年。最近 ,人们用一种新的理论试图阐明爆炸中的磁能释放 ,该理论足以证实 :啸声干扰波是能量释放中的主角。遍及宇宙的磁能 ,其离子化气体的涡动与发电机的工作原理相似。等离子体的运动放大了磁场 ,使磁场发生扭曲和…     

THEMIS双卫星对磁尾高速流减速的联合观测简

磁尾等离子体片高速流的运动和减速过程对于磁层粒子的加速、磁场的扰动、磁通量的输运和亚暴的触发以及磁尾电流系统的形成都具有重要意义. 2009年2~4月,THEMIS卫星中的2颗星（THA和THE）在空间中经常具有相近的X_GSM和Y_GSM坐标,但具有差别较大的Z_GSM坐标. 我们利用这种特殊构型的2颗卫星对经过等离子体片中心和边界层附近的高速流进行了联合观测研究. 通过个例和统计分析发现,在89%的地向高速流事件中,距离中性片较远的卫星先观测到高速流,其速度以平行于磁场的分量为主,并且95%的事件中距离中性片较远的卫星所探测到高速流X分量的速度最大值要比在片中心探测到的高速流数值更大. 假设等离子体片边界层附近的平行高速流匀速传播,而对于中心等离子体片的高速流,我们分别应用匀减速模型与突然减速模型进行分析,发现高速流减速起始的位置大部分位于距离地球15 R_e的区域,这与中磁尾重联发生区域比较接近. 此外,统计结果表明等离子体片中心高速流前端往往伴随着明显的偶极化锋面特征,而远离中性片的地方偶极化锋面的特征则不明显.     

关于磁场束缚等离子体的问题

文献[1]指出:“我们的微观理论研究以及国外同时进行的工作都表明,单靠磁场来束缚稳态等离子体已属不可能之事。”从宏观磁流体力学考虑,稳定的磁约束平衡位形是可达成的。棒形磁场、磁剪切与磁阱位形是近十几年中磁流体力学稳定性理     

新一代的托卡马克

受控热核反应有希望成为21世纪的新能源。在各种各样研究受控热核反应的装置中,磁约束环形装置托卡马克目前仍处于领先的地位。近十年来托卡马克取得了一些技术进展:一是采用较好的真空系统使放电更为纯净。对约束系统加上磁偏滤器进一步改善了等离子体的净度。西德伽兴的Asdex托卡马克采用极向偏滤器后记录到等离子体的持续时间达到10秒。二是用辅助加热改善托卡马克性能。如用中性注入加热、普林斯顿建立的等离子体(记录)温度高达8千万度。看来,托卡     

TC-1对近地磁尾地向等离子体团的观测

分析了2004年07月~ 09月双星计划TC-1卫星在磁尾的磁场数据, 发现近地磁尾存在等离子体团(plasmoid). 给出了TC-1对近地(X > &;#8722;13R_E处)等离子体团的观测结果. 根据等离子体团内磁场结构的不同, 分析两个事件: 2004年09月14日磁环(magnetic loop)型的等离子体团具有闭合磁力线结构, 2004年08月06日磁通量绳(magnetic flux rope)型的等离子体团具有开放磁力线结构. 两个事件与背景流场相比都具有高速地向速度. 粒子可以沿着开放的磁力线从磁通量绳逃逸出来, 而磁环由于其闭合磁力线结构可以束缚住粒子. TC-1对磁尾地向等离子体团的观测又一次为多X线重联在磁尾的发生提供了证据并表明重联地点应该位于X <&;#8722;10 RE的磁层尾部区域.     

磁场湍动重联的新模型

磁场重联是等离子体中的一种重要的基本现象,它能引起磁场拓扑形态的突然改变,导致磁能的迅速转化和剧烈释放,是当前天体和空间等离子体物理学重大的前沿课题.现已发现的磁场重联类型有准定常重联和瞬时局地重联.这些磁场重联过程都需要电流片内有相当强的反常电阻;磁场重联的结果将形成大尺度的磁岛和涡旋.然而,二维磁流体力学(MHD)湍流中存在大量的小尺度的涡旋和磁岛.什么样的重联会产生小尺度结构?有没     

均匀引力场中的热平衡和磁静力平衡

均匀引力场中等离子体的磁静力平衡方程,在太阳物理学中得到了广泛的应用.太阳大气中的很多现象,例如太阳黑子、宁静曰珥以及色球层和日冕中的某些结构,常常能够维持几小时到若干天的时间,因此,一般可以采用磁静力平衡模式近似处理.磁静力平衡方程是     

无碰撞磁重联中的电子动力学

磁重联提供了一种快速地将磁场能量转化为等离子体动能和热能的物理机制, 它和空间 物理中的许多爆发现象密切相关. 另外, 空间环境中的等离子体基本上是没有碰撞的, 人们更加 关心的是无碰撞的磁重联过程. 本文从以下几个方面论述了电子动力学行为在无碰撞磁重联中 的作用. 在离子惯性长度尺度范围内, 离子和电子的运动是分离的, 由此产生的Hall 效应决定了 此区域中的重联电场. 另外, 电子的运动决定了重联平面内电流体系, 同时形成了沿分界线的电 子密度降低区域, 这种重联平面内的电流体系决定了垂直重联平面的第三方向磁场分量的结构; 在电子惯性长度尺度范围内, 电子压强分布的各向异性决定了在此区域内的重联电场的大小; 高 能量电子的产生是磁重联的一个重要特征, 重联电场在电子加速的过程中起着决定性的作用, 但 不同的磁场位形及其时空演化会影响电子加速的过程, 并决定电子的最终能量; 讨论了X 点附近 的次级磁岛不稳定性形成小磁岛的模拟结果和观测证据, 及其对电子加速的可能影响; 对电子动 力学行为在实验室等离子体磁重联中的进展也做了介绍. 最后, 指出了一些尚未解决的问题.