磁重聯(lián)被認為是空間及實驗室等離子體環(huán)境中,能快速有效地將磁能轉(zhuǎn)換成等離子體動能及熱能的能量轉(zhuǎn)換機制之一。該機制能成功解釋自然界中的許多爆發(fā)性現(xiàn)象,如太陽耀斑、地球磁層亞暴等。在許多空間和實驗室等離子體中通常可以認為等離子體是無碰撞的,這樣經(jīng)典碰撞電阻模型無法提供磁重聯(lián)所必須的快速耗散機制。二十多年前,通過全粒子PIC模擬研究發(fā)現(xiàn)磁重聯(lián)過程的耗散機制是由電子壓力張量的非對角項提供的。但是,電子壓力張量的非對角項是不能用簡單的物理模型來描述,這樣導(dǎo)致它無法應(yīng)用于磁流體模型中研究大尺度的磁場重聯(lián)過程。本博士論文提出了簡單的有效電阻模型,與全粒子PIC模擬進行比較并成功地解釋各種環(huán)境中的觀測現(xiàn)象。本論文首先詳細介紹了我們自主開發(fā)的全粒子PIC模擬程序,文中詳細介紹了我們所使用的程序框架及場方程、粒子推動等具體算法,并給出了與他人PIC模擬結(jié)果的基準比對。然后提出無碰撞磁重聯(lián)中重聯(lián)區(qū)附近有效電阻的理論模型并與PIC模擬結(jié)果進行了比較。在磁重聯(lián)過程中,在重聯(lián)區(qū)附近磁場的彎曲將會對帶電粒子造成自散射效應(yīng),該效應(yīng)非常類似于經(jīng)典庫侖碰撞效應(yīng)并會極大地改變該區(qū)域的耗散性質(zhì)導(dǎo)致快速重聯(lián)發(fā)生。通過研究帶電粒子... 

【文章來源】：浙江大學(xué)浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

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【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

圖１．１磁重聯(lián)的簡要示意圖１２３］

對于實驗室物理中如托卡馬克中的模不穩(wěn)定也存在很大的影響［２＜Ｕ１］。所謂磁重聯(lián)，是指在??有哏電導(dǎo)率的等離子體中，處于電流片內(nèi)的磁力線被迫或者自發(fā)地發(fā)生“斷開”與“重聯(lián)”??的過程［２２］。其具體圖像如圖１．１所示［２３］。在此過程中，磁場發(fā)生“耗散”，其拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)??生改變，被“耗散”的磁能轉(zhuǎn)化成等離子體的動能和熱能。之所以打上引號，是因為磁重??聯(lián)并不認為是由于電阻引起的耗散，其在時間尺度上要比電阻耗散導(dǎo)致的擴散效應(yīng)快得多。??ｔ?＝?０?ｔ?＝?ｔ?Ｊ?ｔ?＝?ｔ?２?＾?＝?＾?３??：丨Ｈ（棄音??圖１．１磁重聯(lián)的簡要示意圖１２３］。其中虛線表示初始電流片位置，其左右兩邊為反向平行的磁場??（ｔ＝０）。在ｔ＝ｔ丨時，磁場開始相互靠近，并于ｔ＝ｔ２時在電流片的Ｘ點發(fā)生磁重聯(lián)現(xiàn)象。在ｔ＝ｔ３??時刻，在出流區(qū)域噴出被加速的等離子體流。??磁重聯(lián)的概念最早是由〇丨＾３１１￡丨丨丨［２４］于１９４６年提出，他認為該機制有可能對太陽耀斑??的產(chǎn)生有重大影響。之后Ｓｗｅｅｔ１２５）于１９５８年提出了磁重聯(lián)模型的雛形，探討在磁中性面??附近磁能轉(zhuǎn)化成等離子體動能的速率關(guān)系。Ｐａｒｋｅｒ１２６

但并沒有說明該電阻會出現(xiàn)在什么地方以及其形成機制。１％３年，Ｆｕｒｔｈ，?Ｋｉｌｌｅｅｎ和??Ｒｏｓｅｎｂｌｕｔｈ１３４１＊同提出了一種新機制，認為磁場在微擾動下會變得不穩(wěn)定，緊接著會觸發(fā)??磁場重聯(lián)，也就是后來的撕裂模理論。理論示意圖如圖１．４所示。這里與上兩個模型最大??的不同就是增加了垂直于紙面方向的導(dǎo)向磁場，平面上的剪切磁場發(fā)生重聯(lián)，并形成中間??封閉的磁島。另外需要注意的是，在這里電阻效應(yīng)只在重聯(lián)點Ｘ點有比較強的影響。對于??線性撕裂模的理論分析推導(dǎo)比較冗長，具體可詳見王水［２２］和胡希偉［３Ｃ）１的書籍著作。??在此需要指出的是，該模型中最不穩(wěn)定的模其增長時間為ｒｊ３／５量級，其耗散區(qū)寬度??與入流區(qū)長度的比值約為＊Ｓ＿２＿＿５，式中阿爾芬時間１＾＝／７匕，Ｌｕｎｄｑｕｉｓｔ數(shù)類似??的，對比于Ｓｗｅｅｔ－Ｐａｒｋｅｒ模型中這兩個量：增長時間接近于ｌＳ＂２，耗散區(qū)寬度與入流區(qū)??長度比值＊Ｔ１／２，還是非常接近的。不同的是，在Ｓｗｅｅｔ－Ｐａｒｋｅｒ模型中，磁能的消耗直接轉(zhuǎn)??化成了離子和電子的動能與熱能


本文編號：3498808