磁雷诺数

更新时间:2022-08-25 17:55

磁雷诺数(Magnetic Reynolds Number),来自于雷诺数的定义。不同的是,雷诺数表征的是普通流体的动力学特征,而磁雷诺数表征的是磁流体的动力学特征。根据理想的磁流体力学方程组,经过一系列的计算、简化,我们可以得到:αB/αt=□×(u×B)+η■B

定义

磁流体力学中,磁雷诺数定义为:

其中,和分别是系统的特征尺度和特征速度,是磁扩散率

如果磁雷诺数远远小于1,则磁流体力学中的磁感应方程

退化为扩散方程

此时等离子体会表现出磁扩散效应

如果磁雷诺数远远大于1,则磁流体力学中的磁感应方程退化为冻结方程

此时等离子体会表现出磁冻结效应

小磁雷诺数

小磁雷诺数是指磁雷诺数十分小的情况(远小于1).这时候,等式右边的第二项远大于第一项,磁流体中的磁场耗散效应明显,磁场冻结效应可以忽略。

所谓磁场耗散效应,是指随着时间的推移,磁场会在空间上发生扩散,经过一定的时间后,磁场的原始结构就会遭到彻底破坏,磁场位形被彻底打乱。

它所对应的磁雷诺数很大。根据观测,太阳耀斑的特征时间约为100-3600S,而特征长度只有0-60m。这表明,耀斑产生的日冕内的等离子体,是充分碰撞的等离子体。根据耀斑产生的特征时间和特征长度,就可以计算出日冕内的磁雷诺数是很大的。

大磁雷诺数

与小磁雷诺数的情况正好相反,如果上面的公式第一项远远大于第二项,那么磁雷诺数就会远大于一。这个时候,磁场的冻结效应就会比耗散效应明显的多,磁场的行为主要由磁冻结主导。

所谓的磁冻结,就是指,在磁雷诺数很大的情况下,磁场基本随着磁流体运动,磁力线基本与流场流线保持平行。如果流场发生变化,那么,磁场分布也会在十分短的时间内发生相应的变化。这在平常看起来,似乎不可思议,但是,理论计算和实际观测,都证实了磁冻结效应的存在。

我们所研究的从太阳日冕到地球磁层的广泛空间中,大磁雷诺数出现的情况比小磁雷诺数出现的情况多得多。很多情况下,我们都使用大磁雷诺数也就是磁冻结效应进行科学分析。

由于卫星只能观测到太阳表面视向磁场的大小,而不能观测到三维空间中另外两个磁场分量的大小。因此,这种情况给我们的研究带来了很多不变。于是,人们利用磁冻结的假设以及磁流体力学模型,发展出了很多磁场外推的模型(如CSSS模型等)。根据这些模型,我们不仅可以根据卫星数据推断出太阳表面的矢量磁场的情况,还可以得到从太阳一直向外延伸的所有的磁场分布情况。一直到今天,这些外推的结果,与我们的间接观测都能很好的吻合。在观测手段有限的今天,磁场外推给我们推测太阳磁流体力学演化特征、分析日冕物质抛射等太阳爆发行为,带来了很大的方便。

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