磁尾等离子片中偶极化锋面的数值模拟研究

Recently, dipolarization fronts (DFs) attract wide attentions due to their close connections with particles, energy and substorm etc. in the magnetotail. However, the generation mechanism and temeperal evolution property of DFs are still open questions because of the inherent limitations of the observation from satellite and the mathematic model and scheme of numerical simulation. In order to study the generation mechanism and evolution property of DFs and the mesoscale (ion inertial scale) structure and physical process of DFs as well, magnetohydrodynamic (MHD) model in conjuction with ion kinetics will be utilized. The results of such studies will then be compared with the spacecraft data analysis in order to determine the discrepancies among the cadidate generation mechanisms, such as jet braking, transient depolarization, interchange instability et al. Conclusions about generation mechanisms and physical properties of DFs and possible connections between fast Earthward flow, magnetic reconnetion, plasma instabilities will result out of this analysis. This research will help to understand the structure and physical process of DFs and provide information on the contribution of the ion kinetic process and substorm triggering in the magnetotail.

磁层等离子体片中的偶极化锋面与磁尾中粒子和能量，以及亚暴之间具有密切联系，因而受到学术界的广泛关注。然而受限于观测数据以及数值模拟模型方程和方法的欠缺，目前锋面形成机制、演化和电流特征等尚不完全清楚。本项目拟采用考虑离子动力学效应的磁流体模型方程组研究锋面的形成机制和演化特性，通过与观测数据比较，研究离子动力学尺度内锋面在高速流刹车和瞬态重联等多种不同产生机制条件下的物理特性，确定锋面与高速流、磁重联、等离子体不稳定性过程的关系。本项目的实施将加深人们对偶极化锋面产生机制，结构与物理特性的理解，为进一步探索磁尾等离子体片动力学过程以及亚暴触发等现象提供重要科学依据。

偶极化锋面是磁尾能量输运系统中很重要的现象，对其研究有重要意义。已有研究表明偶极化锋面的产生机制可以包括由磁尾地向BBF头部产生，还可能通过近磁尾出现的交换不稳定性产生。本项目首先利用守恒型TVD格式对八波模型磁流体方程组的数值模拟研究了磁尾中由BBF产生偶极化锋面的物理和演化特性。构建了由BBF类型通量管机制产生的偶极化锋面的数值模拟模型，该模型由磁尾平衡模型、亚暴增长相模型和亚暴触发及BBF形成模型三部分组成。数值模拟结果很好地再现了磁尾中BBF类型通量管机制产生的偶极化锋面的特性。伴随着高速流的出现，磁场Bz分量呈非对称双极变化结构，即锋面前减小为负值，在锋面上急剧增大。当Bz增大到极大值后回落并趋于稳定。随着偶极化锋面伴随着地向高速流向地球运动，偶极化锋面上Bz的变化越来越小。偶极化锋面之前，热压梯度力由尾向变为地向，使得等离子体受到地向合力作用而加速。在偶极化锋面之后等离子体受到指向尾向的合力而减速，主要是由热压梯度力的增大引起。.其次，本项目利用考虑了Hall效应和有限Larmor半径(FLR)效应的磁流体数值模拟研究了在离子惯性长度/离子Larmor半径尺度内偶极化锋面的动力学特性。偶极化锋面由磁尾近地区域中由于热压尾向梯度和磁场曲率力不平衡所引起的交换不稳定性自洽产生。数值研究表明，偶极化锋面是切向间断，在相对该锋面结构静止的参考系中等离子体穿过偶极化锋面的法向速度为零。Hall效应主要影响与偶极化锋面的切平面相正交的电场，使得锋面切向电流增大，同时产生锋面结构不对称。研究表明离子在Larmor半径尺度产生的FLR效应可导致锋面结构的大尺度漂移运动。由FLR效应产生的离子磁化流速在偶极化锋面的日下点处指向昏向，锋面后区域的速度晨向分量增长，从而导致整个锋面结构向晨向漂移。另外本项目通过试验粒子模拟方法研究离子在锋面上的加速过程。模拟结果表明，高能离子（>13.5keV）的初始位置分布大致呈晨昏方向非对称的半圆环状，它们最终会在锋面晨侧区域聚集。离子能量增加是发生在它们在晨侧电场Ey的作用下，沿锋面晨侧尾向漂移的过程中。