磁场重联的粒子模拟研究

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重联已经被广泛认为在磁层,太阳日冕,受控热核聚变中的某些爆发性不稳定性现象中起着重要作用,但仍然有很多的涉及到无碰撞磁重联的基本问题没有得到很好的理解。由于在理论上很难从第一性原理来分析重联的发生,因而数值模拟就成了最常用的理解重联过程的方法。我们通过使用2.5-D Darwin粒子模拟模型对无碰撞磁场重联进行了研究,得到了一些结果。  对具有开放磁声波边界条件,不同初始电流片厚度的系统,当重联达到最大值时,重联的某些特征,如:离子耗散区的宽度,重联电流片的厚度等是不依赖于初始电流片的厚度的;而另一方面,如:最大重联率和电流片的长度等是与初始电流片的状态有关系的。这是因为离子耗散区的宽度是由于离子和电子对场的响应的不同造成的,与初始条件无关。相反系统的最大重联率是与等离子体释放自由能的最大速度相关,不同初始位型含有不同的势能,造成释放自由能的能力不同,因而会有不同的最大重联率。其与初始电流片的厚度之间的定标关系为Er~a-1/2。  接着我们对四个不同的系统进行模拟来研究磁场重联中的能量转化现象。其中一个是在出流方向具有开放边界的系统,另三个是不同系统尺度的周期边界系统。可以看到重联过程中等离子体各种参数的二维分布,受边界条件的影响非常的大。对周期边界的模拟我们发现,EyJy的值在O-线和X-线之间会出现大面积的负值,发生了dynamo现象,这主要是由于重联过程中热压在磁岛中不断积累造成的。同时我们还发现这种dynamo的产生在一定温度下与系统的尺度和重联演化的时期有关,重联初期在X-线附近电磁场的能量转化粒子的能量,随着重联的进行,小尺度的系统由于等离子体的压缩性,在X-线和O-线之间粒子的能量会转化为磁场的能量。同样的对于某些出流受阻挡的系统,可以看成具有与周期条件相似的O-线,也一样会产生类似的能量转化。  磁场重联是一个有效的对等离子体加热和加速的机制,我们通过采用两种不同边界的模型对重联过程进行模拟,分析其产生的高速流的特性发现,相对于对流高速流,场向高速流发生的几率更大,尤其在重联区域附近,这种优势非常明显。对流高速流在开放边界条件下会随着重联的发展逐渐延伸到整个区域,其特点基本是距离重联点越远所占的区域也越来越宽。对于周期边界条件其展宽现象依然存在,只是对流高速流的发生区域主要集中在重联点和O-线之间的区域。同时随着重联的发生,周期边界的系统中对流高速流的发生在所有高速流中的所占比例会有所增加。  而高速流对电磁能的传输情况又有所不同,虽然场向高速流的发生几率要要高于对流高速流,但是对电磁能的传输却并不一定总要优于对流高速流,甚至在某些时刻还要处于劣势。这种对流高速流的占优现象在周期边界条件中更为突出。  对等离子压强对重联过程影响的研究发现,等离子体密度对重联的影响是占主导地位的。而电子和离子温度对重联的影响也截然不同,随着电子温度的增加,对重联的作用是先促进,后抑制。而增加离子温度,对重联只有抑制作用,但是这个抑制作用有个明显的阈值。  我们还考察了剪切流对重联的影响,与MHD模拟得到的结果不同,剪切流对重联基本都是起到抑制的作用,不过在开放条件的后期重联会有一个大幅度的抬升,视系统尺度的不同有可能会超过没有剪切流的情况。阿尔芬共振在粒子模拟中也可以发现,只是其特点与MHD中有很大不同,其中最主要的一点就是能产生一个近似于沿着磁场的电荷不连续分布,而产生很强的x--z平面中的电场。  
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