哈尔滨工业大学硕士学位论文
摘要
偶极化锋面作为一种常常在磁层亚暴中被观察到的爆发性整体流的前端结构，
被人们认为在磁层亚暴中的能量转化、质量输运等方面扮演着重要角色，它的出
现意味着当地磁场的磁倾角增大，发生磁尾位形向偶极磁场位形的转变。磁层亚
暴作为一种影响范围广泛的空间灾害天气，对人类生产生活产生了重要影响，磁
层亚暴的产生与发展都与其中发生的能量转化过程紧密相关。偶极化锋面作为磁
层亚暴中存在能量转化过程的结构之一，具有重要的研究意义。
哈尔滨工业大学正在建设的SPERF装置是世界上首个能够实现三维地球磁层
磁场结构的地面实验装置，SPERF装置根据实验目的不同划分为三个实验区，其
中针对磁尾区域开展相关实验的T-REX实验区计划开展偶极化锋面的相关地面实
验。
T-REX实验区根据模拟磁尾区域不同存在两种工作模式-近磁尾模式和中远磁
尾模式。本论文首先利用三维电磁场仿真软件得到了T-REX实验区不同工作模式
下的磁场位形，以此为基础开展对偶极化锋面地面实验的预先模拟研究。
本工作基于三维单流体电阻MHD模型，分别在近磁尾模式和中远磁尾模式下
的高速流前端结构中确认到偶极化锋面的经典特征，证明SPERF装置的T-REX实
验区有能力开展偶极化锋面相关的地面实验。本论文同时对在近磁尾模式和中远
磁尾模式这两种磁场位形下产生的偶极化锋面结构上等离子体密度、电流和电场
的空间分布进行了研究，并且得到了偶极化锋面上的能量转化过程。我们根据以
上方面的研究得出结论：锋面上电流指向y的正方向，随时间发展电流强度减小，
电场方向由y的负方向变为正方向并增强。锋面上的能量转化过程方面，近磁尾
模式下偶极化锋面相比中远磁尾模式下偶极化锋面，在锋面前端增加了磁能转化
为等离子体能量的过程。在此基础上本论文对偶极化锋面结构特征与SPERF装置
中初始磁场强度、等离子体流密度和速度参数的依赖关系进行了研究，并得到了
如下结论：初始磁场强度越大，偶极化锋面传播越快，等离子流的速度和密度峰
值越大，磁场分量B的增加量越大，同时等离子体流的速度越小，初始磁场强度
z
越大，偶极化锋面结构的观测时间越长。
关键词：偶极化锋面；SPERF装置；磁流体力学模拟；磁通量堆积；能量转化
-I-
哈尔滨工业大学硕士学位论文
Abstract
Asafrontstructureofexplosivewholeflow,whichisoftenobservedin
magnetosphericsubstorms,dipolarizedfrontisconsideredtoplayanimportantrolein
energyconversionandmasstransportinmagnetosphericsubstorms.Itsappearancemeans
thatthemagnetictiltangleoflocalmagneticfieldincreasesandthemagnetictail
configurationchangestodipolemagneticfieldconfiguration.Asakindofspace
disastrousweatherwithwideinfluence,magnetosphericsubstormhasanimportant
impactontheactivitiesofhumanbeing.Thegenerationanddevelopmentof
magnetosphericsubstormareclo