磁场重联中的低频波动和绝热动力学阿尔芬孤立波

摘要

本文主要研究磁场重联中的低频波动和绝热过程中的动力学Alfvén孤立波。
　　 1.在磁场重联低频波动方面的主要工作包括:
　　 磁场重联在空间等离子体中扮演重要角色，它可以有效地转移和转化等离子体的物质、动量和能量。空间等离子体中的许多爆发现象以及太阳风和地球磁层的相互作用都与磁场重联有关。磁场重联与波动有紧密联系。波动可能是触发重联的因素之一，而重联过程中磁力线拓扑结构的改变和高速粒子的产生都是激发波动的重要来源。在本文中，主要研究重联激发的低频波动特性。
　　 本文采用二维三分量混杂模拟程序模拟了重联过程。在重联达到准稳态后的随体坐标中，利用快速傅里叶分析法研究了波动的频谱特性，利用最小方差分析法研究了波动的传播方向和偏振特性。通过研究不同重联区域的波动，给出了波动的空间分布特性。并结合观测讨论了本文的研究结果。
　　 本文研究结果表明:重联区的低频波动以Alfvén离子回旋波为主，其频率主要集中在0-1个离子回旋频率之间，偏振特性为左旋。其中入流区波动以小振幅的Alfvén离子回旋波为主，传播方向以沿磁场方向为主，频率较高，其主峰常常高于0.5个当地离子回旋频率;而出流区波动以大尺度的湍动为主，振幅较大，频率较低，主要集中在0-0.6个当地离子回旋频率之间，其旋转特性相对较杂乱。由此推测重联可以产生左旋低频Alfvén波，并提供了一些磁尾和极区的观测证据。本文还结合其他采用混杂模拟研究波动传播的文章，讨论了本文研究结果的可靠性，解释了本文结果与观察出现不同的原因。
　　 另外本文的研究结果还表明出流区大尺度的湍动会引起部分Hall重联四极结构的分布出现部分翻转，这可以解释卫星观测到的一些与Hall理论相反的数据点。
　　 2.在绝热动力学Alfvén孤立波方面的主要工作包括:
　　 动力学Alfvén孤立波(SKAWs)伴随有密度扰动和平行于磁场方向的电场扰动，是空间等离子体物理的重要研究内容之一。SKAWs可以解释空间等离子体中观测到的强电磁扰动，其平行电场对等离子体中波粒相互作用和磁层-电离层耦合有重要意义。已有大量文章从观测、理论和数值模拟方面对SKAWs进行了研究。为了简化数学分析，以往许多关于SKAWs的研究都采用了等温假设。但是事实上在不同的等离子体中热力学过程并不相同。许多研究表明在不同的空间等离子体区域，绝热指数的取值各不相同，甚至在同一地区的不同方向绝热指数也会不同。因此，研究不同热力学过程中绝热指数对SKAWs的影响是有必要的。
　　 为此本文在绝热条件下对SKAWs进行了研究。本文从双流体模型出发，采用Sagdeev势方法，在小振幅近似下得到了SKAWs的解析解。并在相同参数下，数值分析了SKAWs的波形和扰动场随绝热指数的变化情况。通过对比绝热过程和等温过程中SKAWs的差别大小，分析了绝热指数对SKAWs的修正程度。
　　 本文的研究结果表明随着绝热指数的增加，SKAWs波形的振幅变小、宽度变大，其平行方向的扰动电场变小，垂直方向的扰动电磁场变大。而且相比于等温过程，绝热过程的修正是显著的。因而在太阳风或磁层极区的热等离子体中，需考虑绝热指数对SKAWs的影响，特别在估算平行电场对电子的加速效应时应考虑这一修正。

目录

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摘要

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表格

符号说明和缩写

第一章 绪论

1．1 磁场重联中的波动

1．2 色散Alfvén波

1．3 磁场重联与色散Alfvén波的共同应用

第二章 磁场重联中的低频波动

2．1 磁场重联

2．1．1 基础物理过程

2．1．2 Sweet-Parker模型

2．1．3 Petschek模型

2．1．4 Hall效应

2．1．5 不稳定性与电阻

2．1．6 磁场重联与波动

2．2 混杂模拟

2．2．1 基本公式和假设

2．2．2 算法实现

2．3 重联模拟过程

2．3．1 程序说明

2．3．2 重联过程

2．3．3 准稳态重联电磁场

2．4 重联各区域波动特征

2．4．1 波动频谱

2．4．2 传播方向

2．4．3 偏振特性

2．4．4 重联各区域波动

2．5 讨论和总结

2．5．1 重联产生的Alfvén离子回旋波

2．5．2 大尺度湍动对四极结构的影响

2．5．3 主要结论

第三章 绝热动力学Alfvén孤立波

3．1 Alfvén波理论

3．1．1 经典Alfvén波

3．1．2 色散Alfvén波

3．1．3 双流体方程

3．1．4 色散关系

3．1．5 平行电场

3．2 动力学Alfvén孤立波

3．2．1 非线性项

3．2．2 色散和耗散项

3．2．3 KdV方程及其孤波解

3．2．4 动力学Alfvén孤立波的形成

3．3 绝热条件下的动力学Alfvén孤波

3．3．1 SKAWs的应用

3．3．2 基本方程和Sagdeev势

3．3．3 小振幅SKAWs

3．3．4 SKAWs随绝热指数的变化

3．3．5 绝热和等温过程中的SKAWs

3．3．6 总结和讨论

3．4 小结

第四章 总结与研究展望

4．1 总结

4．2 研究展望

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