三维磁重联的全球MHD数值模拟研究

磁场重联是太阳风能量进入磁层的主要途径，重联率的大小直接决定了这一能量输运的效率。因此，定量研究向阳侧磁层顶磁场重联一直是空间物理的前沿课题。最近利用全球MHD数值模拟数据，我们设计了一整套确定重联线和计算沿重联线重联电压的方法，为系统研究磁场重联奠定了基础。本项目拟在此工作基础上，通过全球MHD数值模拟，系统研究不同电离层和太阳风条件下重联线和重联率的变化规律，重点分析各物理量在重联过程中所起的直接或间接的作用，以期寻找到底是什么物理量决定磁场重联过程，为什么磁层顶重联电压会出现饱和现象？从而加深对三维磁场重联的理解。

本项目利用全球MHD数值模拟数据，系统分析不同物理量在行星际磁场（IMF）与地球磁层重联过程中的作用，分析越极电位与重联电压饱和的物理机制，探讨三维磁场重联与二维磁场重联的区别之处，进一步加深我们对三维磁场重联的理解，为各种预报模型提供理论基础。拟解决以下关键科学问题：（1）系统研究行星际不同物理参数在磁场重联过程中的作用，分析三维磁场重联的各种特性的变化规律。（2）寻找决定向阳侧磁重联的关键物理参数。（3）利用以上分析，探讨重联电压饱和现象的物理机制。.在此项目支持下，模拟研究了三个典型IMF条件下极光增亮现象事件，发现太阳风动压增强会显著增强向阳侧磁场重联，并引起电离层极光增亮；讨论IMF由南转北以及北向IMF下，磁层活动和能量输运情况，以及磁场重联情况和作用，发现当IMF由南转北时，向阳侧重联的急剧下降会有利于磁尾能量的释放，而在北向IMF下，强的IMF By和太阳风动压则会增强高纬磁层重联，有利于太阳风能量进入磁层；最后系统分析了不同行星际物理参数下，磁层开放磁通(磁场重联的关键参数)的变化规律，提出了一个估算公式，并与观测结果很好吻合，并发现磁层开放磁通随行星际参数增强也会出现饱和现象，这表明磁层对流系统在饱和现象中起着重要作用。