磁尾电流片拍动的磁场双梯度机制研究

Flapping motion of the current sheet (CS) is an important physical process in the Earth’s magnetotail; it is interesting both as a spectacular phenomenon, as well as a tool to probe the structure of the CS. Among all the proposed mechanisms for explaining the flapping motion, the magnetic double gradient model suggested that the flapping-type wave is a kind of MHD wave that can be related to the gradient of the normal magnetic field component along the CS. Furthermore, the model provides reasonable results in consistence with observations of CS flapping motions. However, the current studies are carried out in highly-simplified and idealized models of the magnetotail CS and it is still questionable to apply the theory to the realistic CS. In this proposal, we will further study the CS flapping motion within the framework of magnetic double gradient model in a more realistic condition using numerical MHD modeling. We plan to analyze a set of typical CS flapping events using multi-spacecraft observations, and get the critical parameters for characterizing the configuration of magneto-tail CS (e.g., half width of the current sheet, local magnetic gradient) as well as those for flapping motion (e.g., propagation speed and frequency of the flapping waves). Then by utilizing the obtained information about the local magnetic field as constraint conditions to a new 3D MHD model, we will simulate the magnetic double gradient mechanism of CS flapping oscillation in nearly realistic CS configurations. With comparative study of the simulations with observations, we will further develop the magnetic double gradient mechanism and verify its importance in explaining the physics of CS flapping motions.

电流片的拍动是地球磁尾一种重要的物理过程，研究电流片的拍动不仅可以为判断磁尾其他活动过程提供参考，而且还能为探测电流片本身的结构提供信息。关于拍动机制存在多种不同解释，其中基于MHD理论和磁尾磁场特征而提出的磁场双梯度机制表明电流片能支持类似于拍动的波动和不稳定扰动并且和观测比较吻合。由于相关研究局限于简单理想的磁尾电流片位形以及线性化理论，仍比较初步，本项目将结合观测分析和数值模拟，进一步分析和发展磁双梯度机制。我们将基于多卫星数据分析典型的电流片拍动事例，得到电流片磁场位形以及拍动时的各种物理参数；并采用一套新型三维MHD数值模式，将观测得到的电流片磁场实际位形的信息作为数值计算中磁尾磁场模型的约束条件，以研究在更加接近真实的磁尾模型中双梯度机制引起扰动的物理性质。通过对比模拟与观测得到的拍动波的物理特性，我们将进一步验证和解释磁双梯度机制在电流片拍动中的作用，以增进对拍动本质的认识。

地球磁尾的磁场方向基本沿日地连线并互为反平行，在其中心区域，磁场反向过渡，具有较大的电流密度，形成磁尾电流片。磁尾电流片是地球磁层物理研究的关键区域，是磁尾各种动力学过程（如磁场重联、不稳定性、波动、电流中断等）发生的主要区域。.卫星观测表明电流片总是处于动态变化中，能在南北方向上来回运动，这种行为被称为电流片的拍动。电流片的拍动作为磁尾一个非常有趣的动力学特征，不仅可以为判断磁尾其他活动过程提供参考，而且还能为探测电流片本身的结构提供信息。.关于电流片的拍动机制存在多种不同解释，包括行星际磁场扰动触发机制、K-H不稳定性机制、漂移不稳定性机制、气球模不稳定性机制、磁场双梯度机制等。到目前为止，基于MHD理论和磁尾磁场特征而提出的磁场双梯度机制能用相对简单的理论给出相对合理的（和实际拍动参数相近）的解释，值得且需要进一步的发展。.在本项目中，我们首先利用Cluster、THEMIS和MMS等卫星数据，使用多卫星数据分析方法分析典型的电流片拍动事例，获得关于电流片位形和拍动的各种参数（例如电流片厚度、磁场梯度、波的传播速度和频率等信息）；之后，基于电流片拍动的磁场双梯度机制的理论思想，我们利用时空守恒磁流体数值计算格式（CESE-MHD）和高性能并行自适应的计算技术，建立了以模拟电流片拍动过程为目的的数值MHD模式。在具体实施过程中，我们以Grad-Shafranov方程的解析解构造了一个接近平衡态（∇p=j×B）的磁场，然后对该磁场进行松弛，使其达到力平衡，并以此平衡态电流片作为三维MHD数值模拟的初始磁场。模拟结果显示磁场的双梯度机制确实能够使电流片内的不稳定性发展起来，从而造成电流片的拍动。整个计算域内的平均不稳定性增长率与双梯度理论估算的结果非常接近。我们的研究表明CESE-MHD算法在对磁场双梯度机制触发电流片拍动波的研究上是非常有效的，它为我们研究更真实电流片的拍动机制提供了新的思路。