木星磁尾重联产生的磁通量管的向内运动

摘要

研究等离子体的径向输运过程足理解木星磁层的关键。对于木星这样一个快速自转且包含数个等离子体源的行星，由等离子体源产生的冷等离子体其所受离心力和压强梯度力相比不可忽略，在离心力的作用下冷等离子体向外运动并向赤道面聚集。聚集在赤道面附近向外运动的等离子体将磁力线径向向外拉伸成为扁平的被称为磁盘的盘状结构。在这样快速旋转的磁层中，等离子体径向输运的机制普遍认为是离心力驱动的磁通量管交换不稳定性（类似于重力作用下的瑞丽-泰勒不稳定性）。对于这样拉伸的磁场位形（在木星中磁层和外磁层），等离子体源附近的密度较大的磁通量管受离心力驱动向外运动，而磁尾闭合通量管的磁场重联所产生低密度低熵磁通量管在稳定性要求下会高速向内运动。 本文通过利用包含离心力的自洽、轴对称稳态木星磁层模型，以及等离子体细丝运动理论对磁尾重联产生的磁通量管向内输运进行研究。基于细丝运动理论模型，通过MHD数值模拟我们可以得到磁通量管随时间变化的一些特性。模拟结果表明，重联产生的磁通量管向内运动可到达10RJ以内，磁通量管赤道部分的速度可以达到350km/s左右，表现出很强的行星方向的流动。初始磁通量管中的等离子体密度和压强均小于周围介质，随着它迅速向木星方向运动，它的等离子体密度由于体积压缩逐渐上升，等离子体压强则逐渐上升到与周围介质相当。磁通量管在电离层上足点的赤道方向运动滞后于赤道面上的行星方向运动。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1木星概览

1．2木星的磁层结构和位形

1．2．1 内磁层：等离子体源所在区域

1．2．2中磁层：旋转效应显著

1．2．3外磁层：内部和外部因素共同影响

1．3木星磁尾动力学概览

1．4木星磁尾等离子体输运

1．4．1 离心力驱动的交换不稳定性

1．4．2本文工作

第2章木星磁层的自洽稳态模型

2．1 基本假设

2．2热等离子体

2．3冷等离子体

2．4微分方程的解

第3章木星磁层的细丝运动理论

3．1 基本方程

3．2 阻力估计

3．3能量方程

3．4边界条件

3．5数值方法

第4章数值模拟

4．1输入参数

4．2模拟方法

4．3模拟结果与分析

4．3．1稳态背景磁场

4．3．2重联产生的磁通量管向内输运

第5章讨论与总结

5．1 讨论

5．1．1 阻力效应和能量转移对输运的影响

5．1．2热等离子体压强分布对输运的影响

5．2结论

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果