水星磁场发电机模型

It is generally believed that Mercury's magenetic field is generated by dynamo action in its liquid out core, however, the newest data from MESSENGER spacecraft show that Mercury's magnetic field possesses certain axisymmetry. This contradicts Cowling's anti-dynamo theory which states that an axisymmetric magnetic field can not be sustained by dynamo action. There must be some external mechanism which is independent of the dynamo source region and helps axisymmetrize Mercury's magnetic field. We put forward a conjecture that Mercury's longitudinal libration may be the fundamental explanation of its axisymmetic magnetic field. To testify such a conjecture, a new dynamo model with the effect of libration will be constructed, and simulations of the magnetohydrodynamic process inside Mercury's core will be performed. We will investigate how the liquid outer core's dynamic response to the libration contributes to the axisymmetrization of Mercury's magnetic field. This study is desired to be benefit for better understanding the magnetic field generation process of planets and further improving current planetary dynamo theory.

通常认为水星的磁场起源于其液态外核中的发电机过程，然而信使号探测器传回的最新数据表明水星的磁场具有一定的轴对称性，这与认为任何轴对称的磁场都不能由发电机过程所维持的Cowling反发电机理论相抵触。水星上一定存在某种独立的机制轴对称化了其发电机源区域产生的磁场。经过详细的调研，申请人及合作者提出一个原创性想法：水星的经向天平动是造成水星磁场轴对称性的根本性原因。本项目申请拟构建一个新的发电机模型，针对在天平动效应下水星内部的磁流体动力学过程进行数值模拟，定量地分析外核中流体对天平动的动力学响应在轴对称化水星磁场方面的作用，预期能够首次对水星磁场具有轴对称性这一重要的科学现象做出合理解释。本项目对于从更深的层次上认识行星内部磁场的产生过程，进一步完现有的行星发电机理论具有重要的研究价值和科学意义。

本项目申请拟构建一个新的发电机模型，针对在天平动效应下水星内部的磁流体动力学过程进行数值模拟，定量地分析外核中流体对天平动的动力学响应在轴对称化水星磁场方面的作用，预期能够首次对水星磁场具有轴对称性这一重要的科学现象做出合理解释。我们已完成水星磁场发电机的有限元建模工作，并将模型的部分运算结果与业内的标准发电机解进行了比对，误差在许可范围以内（ 0.5%）。在大型运算平台上提交天平动等运算任务。数值模拟算法上，我们提出全隐式的模型概念，使得传统的模型不依赖于CFL条件，比半隐式方法增大了时间步长。本项目对于从更深的层次上认识行星内部磁场的产生过程，进一步完善现有的行星发电机理论具有重要的研究价值和科学意义，同时也为将来我国发展自主的水星探测计划，做出了一定的预先性研究。