基于平均场理论大时空尺度电流片精细演化湍流耗散研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 马志阔 |
| 答辩日期 | 2025-07-01 |
| 文献子类 | 硕士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 朱伯靖 |
| 关键词 | 大时空尺度分形湍流电流片 三维湍流磁重联 平均场理论 湍流粘性耗散 湍流电阻耗散 |
| 学位专业 | 天体物理 |
| 其他题名 | Fine-structure turbulence-induced dissipation-diffusion in the large temporal-spatial current sheet with mean field theroy |
| 英文摘要 | 1958年，美国探索者1号在人类历史上首次探测到范艾伦辐射带，开创了磁层物理学。同年，Parker提出太阳风理论。1959年苏联月球1号探测到太阳风粒子，后来由美国水手2号证实，诞生了太阳风物理。1960年至1970年日冕物质抛射发现，开启了太阳物理与空间天气研究。但鉴于观测限制，尚无法通过观测来获悉极端高能粒子事件多组分-多丰度-多同位素高能粒子群加速机制，而极端能级高能粒子会对在轨飞行器、航天员等深空探测及地面用电设施产生重大灾难性破坏，是高能粒子空间天气灾害产生的直接原因。在《国家空间科学中长期发展规划(2024—2050年)》中，空间天气探测作为5个科学主题中的日地全景主题，被纳入17个优先发展方向之一。高能粒子加速机制研究不仅是深空探测安全保障的理论基础，亦是国际科技竞争的战略制高点。探索太阳高能粒子起源是太阳物理与空间天气研究最重要的内容之一。观测表明太阳活动磁重联电流片的厚度在几十个Mm量级，演化时间在分钟量级；等离子体物理理论表明太阳活动磁重联电流片的厚度在电子特征尺度0.1～100m量级，演化时间在电子回旋特征时间10-4~10-5s量级；即观测电流片特征时空尺度，远远大于理论电流片特征时空尺度。Zhu等人将观测电流片厚度与理论电流片厚度之比在1010~1011量级(低β情况时，电子特征尺度为电子拉莫尔半径，高β情况时，电子特征尺度为电子惯性长度)，观测电流片演化时间与理论电流片演化时间之比在1010~1011量级的电流片定义为大时空尺度电流片(LTSTMR, Large temporal spatial turbulence current sheet)。高能粒子加速与大时空尺度电流片三维湍流磁重联演化中的能量转换与耗散是高能粒子加速所需能量的根本途径。电流片内湍流耗散的精细演化(几何精细、物理精细）过程研究是解决该问题的关键点，但物理机制仍不清楚，目前仍属于开放性问题。本研究依托国家自然科学基金面上项目暨重点项目，基于湍流分形理论模型为基础，结合平均场理论方法和考虑相对论效应粒子云网格-玻尔兹曼等离子体统计物理数值工具(RHPIC-LBM, Relativistic hybrid particle-in-cell and lattice Boltzmann method)，针对大时空尺度电流片中湍流分形精细结构的演化过程，系统开展湍流耗散研究。主要研究内容包括：1.理清磁冻结效应失效情况下，湍流流动属性（包括流体动力学大尺度 [HD, Hydrodynamics] 和磁流体动力学宏观尺度 [MHD, Magnetohydrodynamics]）以及湍流粒子属性（微观等离子体统计物理动理学尺度 [Kinetic-LBM, Kinetic lattice Boltzmann with extended distribution function]）之间的耦合精细演化过程。明确这一过程中涉及的三个特征尺度，以及对应的五个演化阶段的湍流耗散特征尺度。2.通过不同尺度的控制方程，理清三个特征尺度及其对应的五个演化阶段，扰动磁场引发的自生成-组织过程（MF-ISGO, Magnetic fluctuation-induced self-generating organization）和扰动流场引发的自反馈-自维持过程（PT-ISFC, Plasma turbulence-induced self-feeding-sustaining）中湍流耗散项的具体表达式，并详细分析了在不同尺度下湍流粘性耗散项与湍流电阻耗散项的具体贡献。3.以耀斑环为例，通过模拟分析了其内部及边界附近区域存在的旋转瑞利-泰勒不稳定性、旋转开尔文-亥姆霍兹不稳定性和Z-Pinch-Kink不稳定性及θ-Pinch-Kink不稳定性。论文章节结构如下：第一章介绍太阳爆发活动现象及大时空尺度电流片精细演化湍流耗散的意义；第二章详细介绍了大时空尺度电流片精细演化分形模型及湍流磁重联；第三章详细介绍了湍流粘性耗散和湍流电阻耗散理论研究；第四章介绍了考虑湍流耗散的改进版RHPIC-LBM，并通过耀斑环不稳定性模拟验证理论研究结果；第五章对全文进行总结和讨论；第六章对全文进行了展望。 |
| 学科主题 | 天文学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 0 |
| 源URL | [http://ir.ynao.ac.cn/handle/114a53/28960]  |
| 专题 | 云南天文台_太阳物理研究组 |
| 作者单位 | 中国科学院云南天文台 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 马志阔. 基于平均场理论大时空尺度电流片精细演化湍流耗散研究[D]. 北京. 中国科学院大学. 2025. |
入库方式： OAI收割
来源：云南天文台
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