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（1.大连科技学院,辽宁 大连 116052；
2.大连交通大学爱恩国际学院,辽宁 大连 116021）
摘 要：本文采用二维三分量（2.5维）混合模拟方法研究了Petschek模型下,重联区X线周围关于电流片对称的矩形区域内的磁场重联过程中磁场的演化过程.研究发现磁场重联后形成了突出的隆起状磁场位形,在X中性点附近的一个很小的区域内,磁场分量 出现了四极形分布特征.
关键词：计算机数值模拟；等离子体；磁重联；Hall效应
一、引言
计算机数值模拟方法在科研工作中有着广泛而重要的应用.磁场重联是等离子体能量转化和耦合过程的一种重要的机制,是空间等离子体中非常重要的物理现象和研究内容之一.关于磁场重联的数值模拟方法一般有三种：磁流体动力学（MHD）模拟方法、全粒子模拟方法、混合模拟方法.MHD研究模型和结果在重现磁层大体形状和动力学问题方面取得了成功,但是这种模拟中没有考虑到粒子运动的影响；既包括离子动力学也包括电子动力学的全粒子模拟强调了X线处的物理特性,但是对于研究出流区的大尺度（离子尺度）结构,这种模拟方法是具有数值局限性的.[1]于是一维和二维的混合模拟方法就发展起来了.混合模拟方法将离子视为粒子,运动满足牛顿方程,而作为无质量流体的电子满足动量方程.由于混合模拟主要研究与离子运动有关的低频电磁波,所以满足准中性条件:离子数密度等于电子数密度.
Petschek[2]模型是稳态磁重联的早期理论模型之一.在这个模型中,重联结构包括三部分：一个入流区,两个出流区及一个很小的论文范文扩散区.这个模型描绘的是电流片两侧具有相同的等离子体密度及等大反向磁场强度的对称情况.该模型认为X线两边分别出现一对慢激波,通过这些慢激波磁能快速的被转化为等离子体的热能和动能.这个模型可以应用到地球远磁尾的磁场重联研究中.
本文采用二维三分量（2.5维）[1,3]的混合模拟方法研究Petschek稳态磁重联模型下磁场重联的结构,研究发现磁场重联后形成了突出的隆起状磁场位形,在X中性点附近的一个很小的区域内,磁场分量By出现了四极分布特征.
二、数值模型
1.基本方程
如图2所示给出的是重联过程中不同时刻离子数相对密度的位形图.从图2中可以看出离子数密度分布随时间演化的情况.重联开始前,随着离开电流片距离的增加,磁场强度逐渐增强,等离子体密度逐渐下降.磁场重联过程中,X中性点附近的离子数相对密度与初始时的分布相比逐渐降低,但是磁场重联使得出流区中的等离子体密度变大了.这是因为等离子体在X中性点被磁张力加速,射向出流区,所以在X中性点出现了密度分布的极小值,出流区出现了密度分布的极大值.随着重联过程的进行,由磁重联而形成的新的磁力线逐渐往出流区外移动,这个过程中等离子体会随磁力线一起被带出重联区,因此在重联的演化过程中,高密度等离子体区的范围会逐渐向出流区边界推移.
3.2By的四极分布
如图3所示的是X中性点附近,磁场的y分量By在xz平面内的等值线图,图中的实线表示的是正值,虚线表示的是负值.我们选取的区域是X中性点附近,的一个很小的区域,该区域的尺度与离子的惯性长度尺度可比,但仍远大于电子的惯性长度尺度.这就导致在该尺度范围内电子仍可视为流体,但离子的粒子性特征就不能再被忽视,离子的运动会退耦脱离磁场线,在电磁场中离子和电子的运动情况不同,因而会产生Hall电流效应.考虑Hall效应后,即使初态导向场By0等于0,t＞0后仍会产生四极形的By结构,这是无碰撞磁场重联的一个基本特征[4].因此从图3中我们看到了X线周围的磁场分量By出现了明显的四极形分布结构.这一模拟结果与全粒子模拟[5]结果基本一致.
四、结论
本文采用2.5维混合模拟的计算机数值模拟方法研究了Petschek稳态磁重联模型下X中性点周围关于电流片对称的矩形区域内磁场重联的过程,主要结论如下：
1.磁场重联使得X中性点周围的磁场位形发生了明显地改变,磁力线高度弯曲,重联过程中形成了一种突出的隆起状磁场位形.等离子体在X中性点被磁张力加速,射向出流区,X中性点附近离子数相对密度减小,而出流区离子数相对密度增加.随着磁场重联的不断进行,高密度区逐渐向计算边界推移.
2.在X中性点附近和离子惯性长度可比的一个很小的区域内,由于Hall电流效应的作用,即使初态导向场By0等于0,重联发生后X线附近仍会产生四极形的By结构.
混合模拟这种计算机数值模拟方法虽然无法了解电子的动力学行为,但它可以部分地获得离子动力学的信息及其对重联发生处的等离子体的影响,并且与完全粒子模拟相比具有计算量要小得多的优势,因此在磁重联相关问题特别是离子动力学起主导作用的问题研究中具有广阔的前景.
参考文献
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[2]H.E.Petschek.Magneticfieldannihilation[A].NationalAeronauticsandSpaceAdministration,NASASpec.Publ.SP-50[C],Washington:1964:425-439.
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负离子气体反射电磁场:【磁场】洛伦兹力的应用9-离子发电机B 高考高中高二【坤哥物理】
[5]郭俊,等.磁场重联的二维粒子模拟研究.空间科学学报[J].2003,23(4):248-255.
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