外加剪切流下三维磁重联动力学过程的研究

Resistive tearing mode plays an important role in space and laboratory plasmas. In the previous studies, it was found that the sub-Alfvenic shear flow will suppress the development of the tearing mode instability. The tearing mode can be fully stabilized if the shear flow velocity is equal to the Alfven velocity. But, we found that the sub-Alfvenic shear flow can accelerate the development of the tearing mode if the thickness of the shear flow exceeds a critical value in the incompressible 2D MHD. In the compressible 2D MHD, the results are similar to that in the incompressible 2D MHD if the plasma beta is large enough. However, it is found that for a small plasma beta, one or two shocks are formed in the inflowing region and suppress the development of magnetic reconnection. In addition, the super-Alfvenic shear flow does not always enhance magnetic reconnection. The shear flow can suppress magnetic reconnection if Alfvenic resonant layers are generated in the inflow region. Recently, our preliminary results indicate that three dimensional effect will change the dynamic processes and some properties of mangetic reconnection. Therefore, we propose to study the influences of the shear flow on three dimensional magnetic reconnection for the initial conditions with and without the Earth dipole. We hope we can reveal the properties of magnetic reconnection under the external shear flow, which may help us to understand some obervational phenomena.

电阻性撕裂模不稳定性在实验室和空间等离子体中都扮演着十分重要的角色。在以前的研究中，认为当"亚"阿尔芬速度剪切流足够大时撕裂模可以被致稳甚至可能完全稳定。但是我们的研究发现在不可压2D MHD下当剪切流的宽度超过一个临界值时剪切流可以使撕裂模解稳。在可压2D MHD模型下，当等离子体的比压值较大时得到了和不可压缩2D MHD模拟类似的结果。 然而在比压值较小时有激波产生，此激波将抑制磁重联的发展。另外，还发现"超"阿尔芬剪切流对磁重联的发展在非线性阶段可能不仅不能加速磁重联反而导致磁重联速度减慢，这主要是由于在入流区形成阿尔芬共振层。最近，初步研究发现3维模型下磁重联的过程与二维的结果有很大的区别，所以希望利用3维MHD 模拟深入研究包含和不包含地球偶极场时剪切流对磁重联的影响，希望通过此研究的开展可以揭示剪切流对磁重联影响的物理机理，以便更好的解释一些卫星观测现象。

在此面上基金支持下，我们开展如下二方面的研究：.一、我们独立自主地开发了三维可压缩Hall磁流体力学全局模拟程序，并利用此程序在真实地球磁场结构下太阳风和地球磁层相互作用中过程。当太阳风携带的等离子体流存在 方向的流速 时，地球磁尾区域会发生很大的偏转，磁尾电流片偏转的角度与 呈线性增长关系。当太阳风携带的 存在 分量时，我们第一次通过三维全球性磁流体动力学模型发现在地球的磁尾区域附近出现了磁场 ，而且地球磁尾附近出现的磁场 的最大值主要分布在磁尾电流片区域且大小已经超过 。.二、我们提出了无碰撞磁重联过程中，磁重联区附近有效电阻模型。在磁重联过程中，在磁重联区附近磁场的弯曲将会对带电粒子造成自散射效应，该效应非常类似于经典库仑碰撞效应并会极大地改变该区域的耗散性质导致快速重联发生。通过研究带电粒子在磁重联区附近运动特征，导出了无碰撞等离子体环境中有效电阻的表达式。该表达式可以通过少量的环境参数来自适应地得到各磁重联阶段环境下的有效电阻值。我们的理论结果与PIC模拟得到的数值结果符合得非常好。并进一步利用此有效电阻模型与MHD方程进行整合，发现改良后的MHD模拟磁重联结果与PIC的模拟结果变得更加一致。