剪切流对地球磁层顶能量传输影响的研究

太阳风磁场在地球磁层顶与地球磁层发生相互作用，可以通过磁场重联有效地将其能量转化为粒子的动能，进而传输给地球。鉴于以上相互作用总是发生在真实的三维空间，所以三维磁场重联一直以来是等离子体物理研究领域倍受关注的课题。空间观测发现在磁层顶不同位置存在着大小和方向不同磁鞘流（剪切流），而剪切流可以改变磁场重联率、重联层结构等重联性质。这样磁场重联研究总要考虑剪切等离子流的存在。另外，剪切流可以激发Kelvin-Helmholtz（KH）不稳定，KH不稳定又会和磁场重联相互影响,互相竞争，它们都对太阳风和地球磁层的能量传输起着重要作用。很多学者对存在剪切流的一维二维磁场重联进行了研究，但他们研究的剪切流只是沿着某一特定方向，而空间中有任意方向的剪切流。我们提出用局域三维模型来研究存在任意方向剪切流时的磁场重联和KH不稳定性，并讨论它们在能量传输中的作用和竞争关系。

磁场重联一直以来被用来解释空间和实验室的快变过程。通过磁场重联，磁力线的拓扑结构发生变化，可以将磁场的能量转变为粒子的能量，从而加速空间的粒子。太阳风到达地球磁场顶，反平行的磁场分量诱发磁场重联，太阳风的能量传输给地球。另一方面观测发现在地球磁层顶存在着速度剪切的高速粒子流，剪切的粒子流会引起Kelvin-Helmholth(KH)不稳定性。本项目利用三维数值模拟研究了磁场重联的发生，重联出流区的间断和激波，磁场重联和KH不稳定性的关系等等。研究发现（1）垂直于反平行磁场的剪切粒子流容易诱发KH不稳定，这种不稳定性和磁场重联发生在相互垂直的空间平面，流场KH不稳定性改变初始对称的电流片，随时间发展空间电流片被向不同方向扭曲，进而出流区的重联层结构不再具有对称性。这种垂直剪切流即使增加到局域阿尔文速度，磁场重联仍能发生。（2）沿着反平行磁场的剪切粒子流产生的KH不稳定性和磁场重联（即撕裂不稳定性）之间有相互致稳的作用，在剪切速度较小的时候，磁场重联增长比KH不稳定性快，当剪切流速度增大，KH不稳定和磁场重联同时变化。继续增加剪切速度，此时KH不稳定性的增长则占了主导地位。沿着反平行磁场剪切流没有使重联点在空间发生移动。（3）初始非对称的Harris电流片，和对称情况一样，即使初始没有导向中心场，垂直剪切流也会产生一个非对称的导线中心场。垂直剪切流引起的KH不稳定性和撕裂不稳定也是分离发展。电流片在垂直剪切流作用下被撕裂成很多条细的电流片。三维空间的流场有鸟翅结构，磁场有两个螺管结构。我们的研究对于了解太阳和地球能量传输是非常有帮助的。