利用全球磁层MHD模型研究行星际磁场对地球磁层的影响

摘要

磁层是处于地球大气最外边的部分,是由地球磁场产生的,保护地球生命的天然屏障。随着科技的发展,空间技术的提高,对于磁层的研究也越来越深刻。研究的主要方法有两种,一种是通过卫星的实际观测数据来进行研究,另一种是通过数学方法,建立模型进行研究。两种方法互有优劣点。本文是通过建立磁层模型来研究磁层中的各种物理现象。在磁层模型中,主要有理论模型,经验模型和自洽的磁流体力学方程模型。
　　本文利用美国Community Coordinated Modeling Center所提供的的BATS-R-US模型来进行磁层建模。此模型是由美国密歇根大学,现在的空间环境建模中心(CSME)更据计算磁流体力学原理开发的树状块自适应太阳风迎风方案模型。建立全球磁层三维模型后,用建立好的模型来研究行星际磁场的改变对磁层中各个物理量的改变。行星际磁场分别取南向和北向的5nT,10nT,20nT,画出在此种情况下的磁层X-Z切面中压力分布图,磁力线拓扑情况图,等离子体密度分布图,太阳风速度和方向的矢量图和电流密度图。通过对比,来发现不同的行星际磁场方向和大小对他们的影响,通过对图的分析,总结规律来得出一些结论。用这些结论和图中的规律来验证前人理论的正确性,和提出一些新的问题,为以后的全球磁流体力学磁场模型建设提供经验。

目录

摘要

Abstract

第一章 磁层结构和行星际磁场

1.1 地球偶极场

1.2 磁层顶

1.3 磁尾

1.3.1 磁尾瓣(Magneto tail Lobes)

1.3.2 等离子体片边界层(Plasma Sheet Boundary Layer)

1.3.3 等离子体片(Plasma Sheet)

1.4 磁场重联

1.4.1 Sweet-Parker重联

1.4.2 Petschek重联

1.5 行星际磁场

1.6 行星际磁场和地球磁层的相互作用

1.6.1 粘性机制

1.6.2 磁重联机制

第二章 基本方程和方法

2.1 MHD基本方程

2.2 计算网格

2.2.1 基本网格

2.2.2 本文模型网格

2.3 对电离层的处理

第三章 磁层建模中的重要模型

3.1 理论模型

3.2 经验和半经验模型

3.2.1 Tsyganenko模型

3.2.2 IGRF模型

3.3 磁流体力学模型

第四章 计算结果及分析

4.1 初始条件

4.2 行星际磁场对等离子体数密度分布和磁力线拓扑的影响

4.3 行星际磁场对太阳风速度和磁层压力分布的影响

4.4 行星际磁场对磁层内电流密度的影响

4.5 小结

第五章 总结和展望

参考文献

主要工作成果

致谢