非稳态受驱磁重联过程的数值实验
文献类型：学位论文
| 作者 | 许杉杉 |
| 答辩日期 | 2025-07-01 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 林隽 |
| 关键词 | 磁重联 慢模激波 旋转间断面 方法:数值模拟 |
| 学位专业 | 天体物理 |
| 其他题名 | Numerical experiments of time-dependent driven magnetic reconnection |
| 英文摘要 | 磁重联是宇宙等离子体中许多动力学现象的核心驱动力，在该过程中磁场 拓扑结构发生变化, 并将存储在磁结构中的磁能转换为等离子体的热能、动能并 加速带电粒子。磁重联的研究大多建立在等离子体不可压缩的稳态框架下；而天体物理现象中或是实验室中的磁重联过程均发生在可压等离子体环境，往往是受驱动发生、并且是高度动态的，例如太阳爆发过程中发生在日冕物质抛射 (CME)-耀斑电流片中的磁重联、太阳风磁场与地球磁场之间的磁重联等。此外，实验室激光驱动磁重联 (LDMR) 作为研究磁重联的重要手段受到大量关注和应用，其针对的磁重联过程也是在可压缩等离子体环境中受驱动发生的。在此背景下，我们利用数值模拟手段对受驱非稳态磁重联过程开展了研究：首先，我们重现激光驱动亥姆霍兹电容线圈靶磁重联实验中的三维演化图像，并认证其中的物理特征，并从理论上解释实验现象；随后，我们更加全面、细致地考察诸如激光驱动的脉冲式磁重联入流区和出流区物理参数的相互关系，以及与这些关系相对应的精细物理过程。 在激光驱动亥姆霍兹电容线圈靶的磁重联实验中，用强激光照射 U-型线圈连接的金属圆盘靶，溅射出的自由电子进入线圈，在两个平行放置的线圈中形成电流，在它的周围产生磁场，并在两个线圈之间形成反向磁场位型，驱动磁重联发生。我们通过磁流体动力学 (MHD) 数值模拟，考察该实验中发生的三维磁重联过程，首次在针对这类磁重联的数值模拟结果中发现 Petschek 磁重联特征，根据磁力线的分布及演化特征的改变证认了耗散区与出流区的范围以及二者的分界线。结果表明，重联过程中产生的热等离子体被很好地限制在电流片和 Petschek慢模激波当中，没有发生热等离子体外溢的现象。通过对比分析已有的实验结果，确认数值模拟重现了实验结果。对实验结果给出了合理的解释。 不过，我们也发现，发生在 U-型磁场位形中的磁重联出流由于相互冲击而破坏了部分精细结构。因此，在上述工作的基础上，我们将实验中具有三维复杂结构的线圈简化为二维平面内的一对直导线。利用 2 维与 2.5 维 MHD 数值模拟，考察了受驱磁重联过程中三种不同的入流区气体压强与磁场相对大小的变化所导致的三种磁重联模式：磁通堆积型 (flux pile-up)、Sonnerup 型和混合型 (hybrid)。模拟结果表明，磁重联的 Spitzer 扩散区并非简单的 X-点，而是呈现为细长电流片形态，其两端各产生两对慢模激波 (SS)，构成了磁重联入流与出流的四个边界。在远离 Spitzer 扩散区的区域，两组旋转间断面 (RD) 位于慢模激波内 侧，形成了 SS/RD 复合结构。旋转间断面使得重联出流区内的磁场极性发生反转，形成“W-型”磁场位型。研究指出，磁场方向的旋转并非由中间波引起，且慢模激波位于旋转间断面外侧，这个结果证实了 Priest[1] 的推论，而与 Petschek & Thorne[2] 和 Vasyliunas[3] 的结论相反。 |
| 学科主题 | 天文学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 0 |
| 源URL | [http://ir.ynao.ac.cn/handle/114a53/28978]  |
| 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 | 许杉杉. 非稳态受驱磁重联过程的数值实验[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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