进动驱动地磁场

In this project how the Earth's precession drives the geomagnetic field is studied. The two non-spherical geometries will be investigated, i.e. the Earth's spheroidal geometry and the bumps at the core-mantle interface. By numerically solving hydrodynamic and magnetohydrodynamic equations, we will step-by-step understand the effect of the two non-spherical geometries on the four physical processes: the response of linear inertial wave to precession, the nonlinear suppression on elliptical instability, the growth rate of magnetic field, and the variation of saturated magnetic field. Eventually we will achieve a realistic model of geomagnetic field by comparison with the observations. The numerical method is the spectral method with spherical harmonics by introducing the boundary shape function to implement the non-spherical geometries. Through this project we will understand the generation and variation of geomagnetic field more deeply and thoroughly.

本项目研究地球进动如何驱动地磁场，着重考察地球的扁球形状以及地核与地幔交界处的起伏边界这两个非球几何在进动驱动地磁场中的效应。通过数值求解流体力学和磁流体力学的方程，逐步理解非球几何在线性惯性波的进动响应、非线性抑制椭圆失稳、磁场增长率、饱和磁场变化这些物理过程中的效应，最终得到与观测符合的模型。研究方法为数值计算，在球谐函数的谱方法中引入边界形状函数来实现非球几何的计算。通过该项目的研究，可以更加深入全面地理解地磁场如何产生和变化。

项目负责人在执行期内，通过理论、数值、观测的手段，研究了行星潮汐以及磁场的各种性质，以及对恒星-行星相互作用的效应。潮汐对恒星-行星、行星-卫星系统的轨道演化起到了决定性作用。申请人在平衡潮汐理论中考虑磁场的欧姆耗散，相比之前理论的湍流粘性耗散提高了几个数量级，可以解释系外行星轨道迁移和双星圆化的时标；在动力潮汐理论中考虑磁场引起的磁惯性波，相比之前的惯性波理论，在很高的潮汐频率处也可以有很强的潮汐耗散；在表面潮汐中发现了潮汐波和轨道周期的共振，解释了地月轨道加速远离；发现旋转有利于潮汐波在星球内部辐射-对流交界面的透射；研究了热木星的潮汐加热并提出了热木星半径反常的失控膨胀理论。恒星和行星磁场影响生命宜居性，也影响星球结构和演化。申请人应用旋转湍流的混合长理论解释了观测的恒星磁场-旋转关系；预言了密近双星中由潮汐引起的磁场强度并给出了磁场-轨道周期的标度律。