伽利略卫星磁异常起源的数值研究

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伽利略号飞船在长达八年(1995~2003)的时间里,通过对木星四颗最大的卫星(伽利略卫星)的掠过式探测,发现了不同程度及时空分布的磁场异常。关于这些磁异常的来源,现有解释机制包括空间磁场效应、冰下海洋的电磁感应和金属液核内的发电机行为,而这些仍不能完全解释观测磁场。磁异常在很大程度上来源于卫星的内部,并且与导电流体相关。为不失一般性,本文通过数值模拟,研究了一个快速旋转的导电流体球壳内的磁流体动力学(MHD)行为。  伽利略卫星的磁场研究同其它行星和卫星的不同之处在于:由于处于木星强大的磁层之内,四颗卫星附近的磁异常受环境磁场的影响显著,所以木星磁场对其卫星的影响是我们理解卫星磁异常的关键。因此我们在上述简化的MHD模型中,考察了一个均匀的背景场BO对原磁场B的影响。通过改变BO的幅度(0.01~0.1),模拟发现:  (1)磁异常B的幅度随着BO的增加而加大,这一趋势对于极型场BP和环型场BT都成立,并且同一般发电机相类似的,有BT>BP。当BO足够强时(BO/B~40%),还会影响B的走向,最终的结果是使得B的偶极矩平行于BO。  (2) BO可以显著改变B的形态,例如说:使得发电机的区域由先前主要集中在正切圆柱(其轴平行于卫星旋转轴且与内核在赤道面相切)内,变成同样扩展到正切圆柱以外;正切圆柱以内的磁场,被BO拉长了。这些也带来了表观磁场空间分布的改变。  (3) BO对流场的影响如下:流动由轴向不变、小尺度、强螺旋变化到沿轴向变化明显、大尺度和弱螺旋状,而流场的总强度也减弱了。此外,伴随着整体流场减弱的,是差动旋转的增强。也正是差动旋转的增强,带来了B的增加。换而言之,BO使得液核内的对流对于产生磁场来说,更加高效。  (4)背景场的影响不仅表现在磁场和流场的形态上面,也表现在其时间变化上面。定常背景场的加入使得磁场和流场的典型变化周期都变长了,也就是说,使得其更加稳定。BO也带来了对表观磁场西漂速度大小及方向的影响。  我们把数值模拟得到的这些结果尝试性的应用于伽利略卫星的磁异常研究,发现在Ganymede磁场发电机的驱动能量,观测磁场特殊形态的成因,以及Io和Europa磁异常来源的解释等方面都有着较为丰富的应用。最后也讨论了本研究的局限。  
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