月球古发电机数值模拟：理解月球磁场起源及早期演化史

月球表面的岩石磁化场可能来自冲击剩磁或者热剩磁，长期以来在二者之间存在着较为激烈的争议；而与后者密切相关的月球古发电机机制，一直被一些学者所怀疑，原因是对月球内部结构认识的不足以及对发电机驱动能源的考虑。最新的月岩样品研究证实月球曾经存在发电机，而月震资料分析则支持月球存在固态内核和液态外核，这又为发电机提供了合适的场所。但是关于月球发电机的驱动能量，还没有可靠的解释。我们在火星磁场研究中发现，亚临界发电机可以显著的降低能量的阈值；此外，早期地-月系统的潮汐耗散也可能在驱动能量方面扮演了重要角色。因此，我们拟通过数值模拟，来探讨亚临界发电机和潮汐耗散对驱动能量和磁场形态等的影响，并进一步研究月球远古发电机磁场与现今表面磁场之间的联系。研究月球古发电机，不仅可以帮助我们深入理解观测磁场的来源，还可通过磁场研究来认识月球的内部结构及早期演化历史。

1)通过改变Rayleigh数研究了不同热驱动力情形下的发电机输出，得到了临界Ra的取值范围。不同于此前研究得出的外核流速和磁场均随Ra线性增加的结论，模拟结果表明虽然磁场随着Ra而增加，但流场在弱场发电机情形下并未随Ra而出现显著变化，在强场情形下却出现了显著下降。科学意义：这表明Ra对发电机系统的影响要比人们之前的认识更加复杂；2)模拟了不同自转角加速度情形下的月球古发电机过程，发现随着角加速度的增强，输出磁场强度增大，同时外核对流强度减弱。科学意义：这表明潮汐力在驱动月球远古发电机方面可能扮演了重要角色，使得在相同的热驱动下，磁场强度显著增加；3)研究了外核粘性对发电机过程的影响，发现其增加主要带来磁场的减弱以及流场的指数增加。对作用力平衡的分析发现，系统出现了MAC-CA-CIA三种平衡模式的转化。关于粘性对流场及磁场形态的影响，以及粘性作用的影响机理也进行了研究。科学意义：得到了粘性变化的系统影响，有助于推测发电机模型在使用接近真实参数时的渐近行为；4)为对比研究月壳磁异常，对地壳磁异常进行了探索，发现岩石圈磁场同活动构造及地震活动之间存在着一定的对应关系；由岩石圈磁场对居里等温面进行了反演，得到居里面埋深同活动构造、地热以及地震活动的对应关系。科学意义：由地壳磁异常对活动构造以及地震活动等进行约束，为研究月壳磁异常打下基础；5)采用立方球网格技术及有限体积方法构建了新的并行数值模型，用于求解地球外核热对流运动并获得了与已有结果具有可比性的高精度结果，同时设计了基于区域分解的高可扩展性并行算法，使求解程序在国产神威太湖之光超级计算机上扩展到上万核并具有良好的加速比。科学意义在于：所构建的数值模型是新一代数值发电机的基础，同时设计相应的并行算法使程序具有良好的并行性能，这些为构建新一代并行发电机数值模型及获得更接近真实物理参数下的结果奠定了基础；6)研究了求解不可压缩Navier-Stokes流动的压力泊松方程方法，解决了零空间和相容性等难点，采用全隐式格式将压力泊松方程方法应用于求解二维顶盖驱动方腔流问题，获得了准确的结果。科学意义在于：压力泊松方程方法是一种有效的全隐式求解不可压缩流动的方法，通过对它的研究，为构建全隐式发电机数值模型打下基础。