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磁重联过程中生成的阿尔芬波的能量的数值模拟研究

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摘要

1． 绪论

1．1 引言

1．2 等离子体的研究方法

1．3 磁重联

1．4 磁重联相关研究进展

1．5 阿尔芬波

1．6 阿尔芬波和能量转化问题相关研究进展

1．7 全文主要内容和安排

2．阿尔芬波能量的计算方法

2．1 研究背景

2．2 模拟模型

2．3 磁重联过程中的磁场扰动和等离子体流扰动

2．4 计算阿尔芬波能量

2．5 小结

3． 磁重联速度对阿尔芬波生成的影响

3．1 研究背景

3．2 模拟模型

3．3 模拟结果

3．3．1 电阻效应的影响

3．3．2 霍尔效应的影响

3．4 小结

4．导向场对阿尔芬波生成的影响

4．1 研究背景

4．2 模拟模型

4．3 模拟结果

4．4 小结

5．总结

参考文献

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摘要

等离子体是由带正电的离子、带负电的电子以及其他中性粒子混合组成的一种气团状物质。在自然界中存在着许多天然的等离子体，例如闪电就是将空气击穿成为等离子体而形成的。太阳本身就是一个庞大的聚变熔炉，它的主要成分就是等离子体。人们日常生活中也有等离子体存在，最常见的要数日光灯，通过放电激发惰性气体分子来使其发光，而这些被激发的惰性气体分子即是处于等离子体状态。尽管等离子体和气体有一些相似的地方，但是它们还是有许多不同的。整体上，等离子体是电中性的，气体是不带电的;在局部，气体仍然是不带电的，但等离子体却带有电磁特性。等离子体的这种特点也称为“准中性”。对于气体而言，正因为其是不带电的，粒子间的相互作用主要是弹性碰撞。对于等离子体，由于不仅包含中性粒子，还包含了带电粒子，因此粒子间的相互作用还有库仑碰撞，电磁力使得等离子体的表现与气体大不相同，提高了研究难度。
　　磁重联是磁化等离子体中的一个非常重要的基本物理过程。有许多观测表明磁重联对于磁化等离子体中的能量转换和输运问题起到关键的作用，甚至有人认为磁重联是磁化等离子体中最重要的基本物理过程。通过磁重联过程，磁场能量能够被转化为等离子体的热能和动能。并且磁重联还被广泛地认为是无碰撞等离子体中的一种基本的能量转换和输运机制。磁重联过程中能够产生许多种波动，比方说阿尔芬波和磁声波。已经有许多理论和实验对太阳环境下磁重联产生阿尔芬波的相关问题进行讨论。人们认为在光球层、色球层和日冕中广泛存在着磁重联过程。除了日冕加热问题，阿尔芬波对于太阳风的加速问题也起到关键作用。因此，我们认为进一步量化地研究磁重联过程中生成的阿尔芬波能量相关的问题非常有意义。
　　本文主要运用二维MHD代码做了磁重联过程中阿尔芬波能量相关问题的数值模拟研究。
　　第一部分，我们提出了一种全新的估算磁重联过程中生成阿尔芬波能量的方法。该部分采用了局域的反常电阻来驱动磁重联。该方法的计算结果表明阿尔芬波的x分量和z分量的分布与磁力线和流线的弯曲具有很好的一致性。在增长阶段中，阿尔芬波的分布结构随着时间变化很快很剧烈，而在衰退阶段，这些结构几乎保持着它们的形状和位置。磁场能量主要转化为热能，这主要是由于系统中的电阻导致的耗散造成的。整个磁重联过程中，最大的磁场能量到阿尔芬波能量的转化率约为4.3％。
　　第二部分，我们研究了磁重联速度对阿尔芬波的生成的影响。该部分分别考察了均匀电阻和霍尔效应对磁重联速度的影响，以及由此而导致的生成的阿尔芬波的变化。电阻增加使得重联率增加，进而使得能量转化的速度加快。但是，电阻越大磁场能量到阿尔芬波能量的转化率却越小。对于没有霍尔效应的均匀电阻情形，这个转化率小于1％，要明显低于第一部分中用局域反常电阻驱动磁重联的结果。较强的霍尔效应不仅能够加快磁重联的过程，而且能够得到更高的磁场能量到阿尔芬波能量的转化率。在均匀电阻的基础上加入霍尔效应，使得能量转化率达到了第一部分中直接用反常电阻驱动磁重联的算例所得到的数值。并且，霍尔效应越强，磁场能量到阿尔芬波能量的转化率越高。
　　第三部分，我们研究了导向场对磁重联过程中生成的阿尔芬波能量的影响。导向场会使得磁重联在速度和强度上都得到抑制。平面内磁场能量随时间一直在减少，“等效热能”随时间一直在增加。平面内磁场能量主要转化为“等效热能”，只有很少一部分转化为了动能以及相应的阿尔芬波能量。导向场增大动能会有略微的减小。总体上，随着导向场增加，磁场能量到阿尔芬波能量的能量转化率略微降低，并且导向场的加入对磁重联过程中生成的阿尔芬波能量的x分量和z分量的结构影响不大。

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