登录 | 注册 | 中文  | English  | 用时: 0.12s
元数据
高级检索
首页 > 中国极地考察知识库 > 项目信息库 > 亚暴期间高速流刹车区的全粒子模拟研究 已审查

亚暴期间高速流刹车区的全粒子模拟研究

项目名称: 亚暴期间高速流刹车区的全粒子模拟研究
项目类型: 2011年中国极地考察战略基金资助项目
项目负责人: 杨忠炜
项目成员: 韩德胜; 张北辰
项目编号:
父项目编号:
规划期: 十二五规划
立项时间: 2011-10-01
预期结束: 2013-10-01
实际结束:
金额(万元): 2
目录

详细描述


立项依据与研究基础:

  爆发性整体流(bursty bulk flow,BBF)是指出现在磁尾的离子高速流,离子流速一般大于300~400km/s(有时能达到2000km/s),经常以10分钟左右为时间尺度出现。如果从时间上区分,则是将发生在10分钟以上的事件定义为一个BBF事件,几分钟甚至几十秒的事件通常被称为爆发性流动(bursty flow或flow burst)。高速流的产生过程可以概述为:太阳风与地球磁场相互作用下的磁层在夜侧形成一个拉长的磁尾位形,其中闭合磁力线所包含的区域是等离子体片。当磁层顶和远磁尾的无碰撞磁场重联(reconnection)造成磁通量的传输不能平衡时,会在磁尾聚集大量的能量,这些能量将以亚暴的形式予以释放,在此过程中磁场位形发生变化,粒子被加速,出现增强的电流等等。伴随这些能量聚集和释放过程,在磁尾的等离子体片中常常会出现爆发性高速流,由于高速流经常出现在磁层剧烈扰动期间而备受重视。

近30年中,科学家们对磁尾高速流进行了大量的理论和模拟研究。在理论研究方面,Schindler等人构造了二维和三维的地球磁尾模型,Chen和Wolf建立了气泡模型和细丝模型来解释磁尾等离子体片中的高速流现象。在数值模拟方面,Birn等人结合Cluster和THEMIS卫星数据,利用磁流体力学(MHD)模拟分析了磁尾高速流刹车过程中磁场的偶极化现象和高速流两侧的磁流体涡旋结构;Swift和Lin利用二维混合(Hybrid)模拟研究了磁尾高速流刹车区的偶极化现象,发现在偶极化面膨胀过程中会激发离子双流不稳定性,引起沿磁力线方向传播的剪切阿尔芬波(Shear Alfvén wave),在极区呈现出细丝状的场向电流结构。近来的研究更为关注高速流与背景等离子体的相互作用,包括在高速流两侧出现的回流、在高速流刹车区观测到的无碰撞激波、磁通量的堆积和磁场偶极化。George K. PARKS认为由于爆发性高速流通常伴随着局地剧烈而快速的磁场变化,变化频率能够高于当地的粒子回旋频率,所以以往的MHD模拟结果不足以描述当地的动力学过程。为了更好地理解等离子体片中高速流刹车区的耗散机制、无碰撞下等离子体的动力学行为和当地电磁场的结构演化,就需要利用包含离子和电子所有动力学过程的全粒子模拟(Particle-in-cell simulation,PIC)。

项目申请人在博士期间长期从事空间基础等离子体物理的全粒子模拟研究,在无碰撞激波对粒子加速有着扎实的基础,对磁尾无碰撞磁场重联中的等离子体波动及电子加速等方面也有着深入的了解。相关研究成果已多次在国外空间物理学顶级杂志上发表。作为研究空间和实验室等离子体中波与粒子之间相互作用的一个有效方法,粒子模拟在等离子体物理及其相关科研中日益得到广泛的应用。而并行计算近年来由于其在大规模数值计算中的有效性,正日益受到重视,并得到迅猛的发展。同时由于粒子模拟的计算量很大,目前对于二维以上的粒子模拟,并行计算是比较有效的克服计算瓶颈的方法。我们自行发展设计的二维并行全粒子数值模拟程序,已成功地运行在微机机群和超级计算机上,并取得了很好的并行效率,同时也已经应用于模拟空间等离子体中的一些物理现象,包括无碰撞磁场重联中的电子加速问题,取得了很好的结果,证明该模拟方法是成功的。

本项目计划采用二维(2-D)和三维(3-D)的并行全粒子模拟方法,辅以理论研究和试验粒子的方法,来研究高速流在刹车区与粒子的相互作用。探索高速流刹车过程中磁场的偶极化现象、慢激波的形成情况和粒子的加速、传输及其对极区场向电流的贡献。


研究内容与工作目标:

研究内容

1)研究爆发性高速流与近地磁偶极场相互作用的刹车过程中,磁场的偶极化过程、粒子的加速机制和高能粒子对极区场向电流的贡献;

2)将模拟结果与Cluster和THEMIS等卫星在高速流刹车区观测到的电磁场和粒子通量数据进行比较,并解释观测现象。

研究目标

对爆发性高速流在从磁尾重联区到近地磁偶极场的刹车过程中,当地电磁场的自洽演化过程有一个全面的理解。相对于以往的MHD模拟结果而言,对当地等离子体的对流、加速和加热等现象有更加深入的认识。通过定量研究,得到磁尾爆发性高速流对极区场向电流的影响。