赤道面磁层顶位形的磁流体力学模拟研究

李传起; 顾斌; 母丽丽; 张青梅; 陈美红; 蒋勇

doi:10.7498/aps.61.219402

摘要

磁层顶位置和形状的动态特征描绘是地球物理和空间物理研究的难点之一. 文章基于太阳风-磁层-电离层耦合的全球磁流体力学(MHD)数值模拟, 运用电流密度极大法确定磁层顶位形, 并具体研究两种典型太阳风动压(Dp)和几种不同行星际磁场的z分量(Bz)条件下, 地球赤道面上方磁层顶动态特征. 模拟结果显示, 磁层顶日下点高度r0主要由Dp控制. 随着Dp增加, 磁层顶被压缩, r0显著减小. 相同Dp条件下, 在Bz由南向(Bz0)逐渐减小, 并转为北向(Bz0)逐渐增大的过程中, r0缓慢增大. 不同条件下, 磁层顶张角变化较小, 反映了赤道面磁层顶结构的相似性. 与Shue98低纬磁层顶经验模型比较, MHD模拟能再现磁层顶日下点位置r0对Dp的响应, 而r0随Bz变化的饱和性仅出现在低速太阳风条件下. MHD模拟和经验模型的磁层顶张角差别小于2.5, 但模拟显示随Bz的变化趋势并非简单线性关系.

关键词:

Abstract

The determination of the varying position and shape of magnetopause is one of the important Gordian knots in geophysics and space physics. According to the solar wind-magnetosphere-ionosphere coupling global magnetohydrodynamic (MHD) simulation, and with the maximum electric current criterion, we study the position and shape of the magnetopause under several solar wind dynamic pressure (Dp) and interplanetary magnetic field conditions. The simulation results show that the subsolar position (r0) of the magnetopause is controlled mainly by Dp with the significant decrease of r0 as Dp increases. At a certain Dp, when southword Bz (Bz0) decreases to zero, then shifts to northward (Bz0) and increases, the subsolar position r0 keeps increasing. For all cases studie here, the flare angle () of the magnetopause experiences small changes. This provide an evidence for the structural self-similarity of magnetopause in equatorial plane. Compared with the empirical low-latitude magnetopause model of Shue98, MHD simulation can reproduce the dependence of the subsolar point r0 on Dp, while the saturation effect of r0 varying with Bz in empirical model is represented only with slow solar wind. As to the flare angle , although the difference between MHD simulation and empirical model is less than 2.5, the variation of with Bz in MHD simulations is nonlinear and different from the linear trend in empirical model.

Keywords:

作者及机构信息

1.
南京信息工程大学物理与光电工程学院, 南京 210044;

2.
广西师范大学电子工程学院, 桂林 541004;

3.
南京信息工程大学数学与统计学院, 南京 210044

基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 41174165, 11105075)资助的课题.

Authors and contacts

1.
College of Physics and Optical Engineering, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China;

2.
School of Electronic Engineering, Guangxi Normal University, Guilin 541004, China;

3.
College of Math and Statistics, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China

Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 41174165, 11105075).

参考文献

[1]	Stern D P 1989 Rev. Geophys. 27 103
[2]	Tu C Y 1988 Solar Terrestrial Physics (Beijing: Science Press) (in Chinese) [涂传诒 1988 日地空间物理学(下册) (北京: 科学出版社)]
[3]	Bothmer V, Daglis I A 2007 Space Weather—Physics and Effects (Berlin: Springer-Verlag)
[4]	Wang S, Wei F S 2007 Prog. Geophys. 22 1025 (in Chinese) [王水, 魏奉思 2007 地球物理学进展 22 1025]
[5]	Lü J Y, Wang J S 2010 Space Weather (Beijing: Meteorology Press) (in Chinese) [吕建永, 王劲松 2010 空间天气学 (北京: 气象出版社)]
[6]	Lü J Y, Yang Y F, Du D 2011 Adv. Met Sci. Tech. 1 26 (in Chinese) [吕建永, 杨亚芬, 杜丹 2011 气象科技进展 1 26]
[7]	Sotirelis T, Meng C I 1999 Geophys. Res. 104 6889
[8]	Fairfield D H 1971 J. Geophys. Res. 76 6700
[9]	Lü J Y, Liu Z Q , Kabin K 2011 J. Geophys. Res. 116 A09237
[10]	Liu H L, Huang Z H 2011 Chin. J. Space Sci. 31 15 (in Chinese) [刘惠莲, 黄朝晖 2011 空间科学学报 31 15]
[11]	Roelof E C, Sibeck D G 1993 J. Geophys. Res. 98 421
[12]	Kawano H, Petrinc S M, Russell C T, Higuchi T 1999 J. Geophys. Res. 104 247
[13]	Petrinec S M, Russell C T 1996 J. Geophys. Res. 101 137
[14]	Shue J H, Chao J, Fu H C 1997 J. Geophys. Res. 102 9497
[15]	Shue J H, Song P, Russell C T 1998 J. Geophys. Res. 103 17691
[16]	Boardsen S A, Eastman T E, Sotierlis T, Green J L 2000 J. Geophys. Res. 23 193
[17]	Kalegaev V V, Lyutov Y G 2000 Adv. Space Res. 25 1489
[18]	Lin R L, Zhang X X, Liu S Q, Wang Y L, Gong J C 2010 J. Geophys. Res. 115 A04207
[19]	Wang C 2011 Chin. J. Space Sci. 31 413 (in Chinese) [王赤 2011 空间科学学报 31 413]
[20]	Tóth G, Sokolv I V, Gombosi T I 20052007 J. Geophys. Res. 110 A12226
[21]	Hu Y Q, Guo X C, Wang C 2005 Chin. Phys. Lett. 22 2273
[22]	Hu Y Q, Guo X C, Wang C 2007 J. Geophys. Res. 112 7215
[23]	Wang C, Li C X, Huang Z H 2006 Geophys. Res. Lett. 33 14104
[24]	Wang C, Liu J B, Huang Z H, Richardson J D 2007 J. Geophys. Res. 112 A12210
[25]	Huang Z H, Wang C, Hu Y Q, Guo X C 2008 Comput. Math. Appl. 55 1094
[26]	Matsumoto H, Omura Y 1993 Computer Space Plasma Physics (Tokyo: Terra Scientific Publishing Company)
[27]	Wang C, Li H, Guo X C, Ding K, Huang Z H 2012 Sci. China Earth Sci. 55 1037

施引文献

[1]	Stern D P 1989 Rev. Geophys. 27 103
[2]	Tu C Y 1988 Solar Terrestrial Physics (Beijing: Science Press) (in Chinese) [涂传诒 1988 日地空间物理学(下册) (北京: 科学出版社)]
[3]	Bothmer V, Daglis I A 2007 Space Weather—Physics and Effects (Berlin: Springer-Verlag)
[4]	Wang S, Wei F S 2007 Prog. Geophys. 22 1025 (in Chinese) [王水, 魏奉思 2007 地球物理学进展 22 1025]
[5]	Lü J Y, Wang J S 2010 Space Weather (Beijing: Meteorology Press) (in Chinese) [吕建永, 王劲松 2010 空间天气学 (北京: 气象出版社)]
[6]	Lü J Y, Yang Y F, Du D 2011 Adv. Met Sci. Tech. 1 26 (in Chinese) [吕建永, 杨亚芬, 杜丹 2011 气象科技进展 1 26]
[7]	Sotirelis T, Meng C I 1999 Geophys. Res. 104 6889
[8]	Fairfield D H 1971 J. Geophys. Res. 76 6700
[9]	Lü J Y, Liu Z Q , Kabin K 2011 J. Geophys. Res. 116 A09237
[10]	Liu H L, Huang Z H 2011 Chin. J. Space Sci. 31 15 (in Chinese) [刘惠莲, 黄朝晖 2011 空间科学学报 31 15]
[11]	Roelof E C, Sibeck D G 1993 J. Geophys. Res. 98 421
[12]	Kawano H, Petrinc S M, Russell C T, Higuchi T 1999 J. Geophys. Res. 104 247
[13]	Petrinec S M, Russell C T 1996 J. Geophys. Res. 101 137
[14]	Shue J H, Chao J, Fu H C 1997 J. Geophys. Res. 102 9497
[15]	Shue J H, Song P, Russell C T 1998 J. Geophys. Res. 103 17691
[16]	Boardsen S A, Eastman T E, Sotierlis T, Green J L 2000 J. Geophys. Res. 23 193
[17]	Kalegaev V V, Lyutov Y G 2000 Adv. Space Res. 25 1489
[18]	Lin R L, Zhang X X, Liu S Q, Wang Y L, Gong J C 2010 J. Geophys. Res. 115 A04207
[19]	Wang C 2011 Chin. J. Space Sci. 31 413 (in Chinese) [王赤 2011 空间科学学报 31 413]
[20]	Tóth G, Sokolv I V, Gombosi T I 20052007 J. Geophys. Res. 110 A12226
[21]	Hu Y Q, Guo X C, Wang C 2005 Chin. Phys. Lett. 22 2273
[22]	Hu Y Q, Guo X C, Wang C 2007 J. Geophys. Res. 112 7215
[23]	Wang C, Li C X, Huang Z H 2006 Geophys. Res. Lett. 33 14104
[24]	Wang C, Liu J B, Huang Z H, Richardson J D 2007 J. Geophys. Res. 112 A12210
[25]	Huang Z H, Wang C, Hu Y Q, Guo X C 2008 Comput. Math. Appl. 55 1094
[26]	Matsumoto H, Omura Y 1993 Computer Space Plasma Physics (Tokyo: Terra Scientific Publishing Company)
[27]	Wang C, Li H, Guo X C, Ding K, Huang Z H 2012 Sci. China Earth Sci. 55 1037

[1]	浦实, 黄旭光. 相对论自旋流体力学. , 2023, 72(7): 071202. doi: 10.7498/aps.72.20230036
[2]	徐明, 徐立清, 赵海林, 李颖颖, 钟国强, 郝保龙, 马瑞瑞, 陈伟, 刘海庆, 徐国盛, 胡建生, 万宝年, EAST团队. EAST反磁剪切q_min$\approx $2条件下磁流体力学不稳定性及内部输运垒物理实验结果简述. , 2023, 72(21): 215204. doi: 10.7498/aps.72.20230721
[3]	丁明松, 傅杨奥骁, 高铁锁, 董维中, 江涛, 刘庆宗. 高超声速磁流体力学控制霍尔效应影响. , 2020, 69(21): 214703. doi: 10.7498/aps.69.20200630
[4]	黎航, 杨冬, 李三伟, 况龙钰, 李丽灵, 袁铮, 张海鹰, 于瑞珍, 杨志文, 陈韬, 曹柱荣, 蒲昱东, 缪文勇, 王峰, 杨家敏, 江少恩, 丁永坤, 胡广月, 郑坚. 黑腔中等离子体相互作用的流体力学现象观测. , 2018, 67(23): 235201. doi: 10.7498/aps.67.20181391
[5]	车碧轩, 李小康, 程谋森, 郭大伟, 杨雄. 一种耦合外部电路的脉冲感应推力器磁流体力学数值仿真模型. , 2018, 67(1): 015201. doi: 10.7498/aps.67.20171225
[6]	张扬, 戴自换, 孙奇志, 章征伟, 孙海权, 王裴, 丁宁, 薛创, 王冠琼, 沈智军, 李肖, 王建国. FP-1装置铝套筒内爆动力学过程的一维磁流体力学模拟. , 2018, 67(8): 080701. doi: 10.7498/aps.67.20172300
[7]	张扬, 薛创, 丁宁, 刘海风, 宋海峰, 张朝辉, 王贵林, 孙顺凯, 宁成, 戴自换, 束小建. 聚龙一号装置磁驱动准等熵压缩实验的一维磁流体力学模拟. , 2018, 67(3): 030702. doi: 10.7498/aps.67.20171920
[8]	梁霄, 王瑞利. 爆轰流体力学模型敏感度分析与模型确认. , 2017, 66(11): 116401. doi: 10.7498/aps.66.116401
[9]	原晓霞, 仲佳勇. 双等离子体团相互作用的磁流体力学模拟. , 2017, 66(7): 075202. doi: 10.7498/aps.66.075202
[10]	刘全, 于明, 林忠, 王瑞利. 流体力学拉氏守恒滑移线算法设计. , 2015, 64(19): 194701. doi: 10.7498/aps.64.194701
[11]	李璐璐, 张华, 杨显俊. 反场构形的二维磁流体力学描述. , 2014, 63(16): 165202. doi: 10.7498/aps.63.165202
[12]	袁永腾, 郝轶聃, 侯立飞, 涂绍勇, 邓博, 胡昕, 易荣清, 曹柱荣, 江少恩, 刘慎业, 丁永坤, 缪文勇. 流体力学不稳定性增长测量方法研究. , 2012, 61(11): 115203. doi: 10.7498/aps.61.115203
[13]	温坚, 田欢欢, 薛郁. 考虑次近邻作用的行人交通格子流体力学模型. , 2010, 59(6): 3817-3823. doi: 10.7498/aps.59.3817
[14]	刘桂雄, 徐晨, 张沛强, 吴庭万. 永磁体在磁流体中的磁力学建模及自悬浮位置可控性. , 2009, 58(3): 2005-2010. doi: 10.7498/aps.58.2005
[15]	庞海龙, 李英骏, 鲁欣, 张杰. 基于高斯型脉冲驱动的类镍瞬态X射线激光的流体力学模型. , 2006, 55(12): 6382-6386. doi: 10.7498/aps.55.6382
[16]	杨维纮, 胡希伟. 非均匀载流柱形等离子体中的磁流体力学波. , 1996, 45(4): 595-600. doi: 10.7498/aps.45.595
[17]	朱武飚, 王友年, 邓新禄, 马腾才. 负偏压射频放电过程的流体力学模拟. , 1996, 45(7): 1138-1145. doi: 10.7498/aps.45.1138
[18]	刘慕仁, 孔令江, 江峰. Frish-Hasslecher-Pomeau流体力学模型的平均自由程. , 1991, 40(11): 1736-1740. doi: 10.7498/aps.40.1736
[19]	陈仁. 关于磁流体力学激波中的开闸激震与关闸激震是否存在的问题. , 1966, 22(9): 1098-1102. doi: 10.7498/aps.22.1098
[20]	束星北. 流体力学的一个定理及在气象学上的应用(大气温度直降率的变化及对流顶同质点造成的条件). , 1955, 11(1): 1-17. doi: 10.7498/aps.11.1

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