磁层亚暴期间等离子体片中高速流的数值模拟研究

磁层亚暴是空间天气的重要组成部分，是日地之间重要的能量、动量以及质量.输运过程。经过科学家几十年的研究，发展了多种模型来揭示磁层亚暴中的观测现象及其物.理机制，很多模型可以解释亚暴中的部分现象，特别是对磁层亚暴过程中产生的高速流的理.解仍然有很多争议。磁层亚暴过程中高速流的产生机制、高速流的分布、高速流的对磁层亚暴触发的作用以及高速流对能量的输运有待于进一步的研究。由于亚暴过程中电流片很薄，探测卫星在电流片中停留时间较短，不能对电流片中的高速流进行长时间的探测。我们计划用高分辨率Hall MHD 程序包和二维粒子模拟程序包研究地球磁尾磁层亚暴动力学过程。期望本项目能够揭示磁层亚暴过程中高速流的观测现象，分析出对流高速流和场向高速流的分布特点以及能量的输运效率。这项课题是此领域的前沿课题，对于研究磁层亚暴过程中X 重联点的位置以及高速流和磁层亚暴的关系有重要的参考价值。

利用二维Hall MHD方法模拟研究了磁层亚暴期间磁尾高速流的性质。初步分析了近地x=-10Re和中磁尾x=-15Re附近所观测到的高速流产生的机制以及高速流的分布特征。研究结果表明：由于中磁尾磁场重联产生高速流，由于约在x=-30Re 处的磁场重联率占优，地向运动的高速流形成。在磁尾尾向-15 到 -9 是减速区，地向流减速。其主要分布在南北向 |Z|<1.0Re内。近地磁尾的高速流主要是betatron加速、Fermi 加速以及磁岛合并产生。场向高速流主要出现在近地偶极强磁场和电流片附近磁场较强的地方，对流高速流主要出现在磁场较弱的电流片内，场向流分布区域大，而对流高速流分布区域很小，主要分布在重联区以及地球偶极场，在|Z|<0.75Re范围内。我们开发了PIC1D3V实验粒子模拟程序，研究了双支低频阿尔芬波的非共振加热，相位匹配提高了阿尔芬波非共振加热离子效率，使得等离子体在平行于磁场方向获得宏观流速。随着两支阿尔芬波频率比的增大，相位差对加热效果的影响逐渐减小，当频率比增加到2倍以上时，相位差对加热效果的影响基本趋于稳定，并且可以忽略。用二维MHD方法研究了双撕裂模非线性演化过程中产生的剪切流，这种剪切流对宏观的不稳定性有抑制作用，这种剪切流可能和输运壁垒有关系。同时用Hall MHD方法研究了驱动电流对双撕裂模的影响，研究结果表明，在x点加入反向外部驱动电流对撕裂模的发展有抑制作用，周期性的外部驱动电流对双撕裂模不稳定性的抑制效果较好，能控制磁岛的尺度在相互驱动的临界尺度以下，避免发生双撕裂模非线性磁场重联的爆发，随着驱动电流周期变大抑制效果变坏，在一定限度内随着驱动电流强度增大抑制效果变好，在一定范围内随着驱动电流宽度变小抑制效果变好。