#地磁场发电机过程中粘性扩散的不可忽略性#
地磁场发电机数值模型的参数取值与实际值的巨大差距,以及描述真实物理过程的地磁场发电机模型对超大规模并行计算资源、数值算法得不到满足的情况下,研究地磁场发电机的数值模拟模型中不同的关键性控制参数之间的相关性、相对比例关系尤为重要,其对揭示发电机理论的物理机制有重大帮助。
针对地磁场发电机数值模型的粘性扩散效应,通常采用比实际地核值大很多的粘性扩散和热扩散值来解决这个问题,例如假设超大的粘性值用以压制小尺度的湍流运动。但对小尺度湍流的抑制是否会严重影响发电机过程的物理本质仍然是一个悬而未决的问题。本研究通过数值模拟系统性研究了粘性扩散在地磁场发电机模型中的作用,得出以下结论:
1. 在弱场和准MAC状态下,粘性扩散效应不可忽略,其对速度场及其特征尺度、磁场、力平衡状态、能量比等具有影响。在弱场状态下,粘性影响速度场及其特征尺度影响较大,对磁场影响相对较小;而在准MAC状态下,粘性对于速度场及其特征尺度的影响相对较小,对磁场影响相对较大。
2. 当粘性接近真实值时,发电机系统的弱场状态逐渐达到CIA平衡,而准MAC状态逐渐达到MAC平衡。本研究所得拟合指数区别于前人研究。
3. 拟合指数的变化由0.52到0.10并不能说明粘性力的作用变小,而是洛伦兹力比惯性力起到了更大的作用。

本研究的创新之处主要在于从理论模型出发,通过数值模拟直接研究粘性扩散对地磁场发电机模型的影响。通过数值结果分析不同驱动模式下地磁场发电机中扩散效应的物理机制,并总结出适用的比例关系,得出的研究成果丰富了关于外核粘性扩散效应的相关研究。

研究成果发表于SCI收录国际期刊“Journal of Geophysical Research: Solid Earth”(Dong, C., Zhang, H., Jiao, L., Cheng, H., Yuen, D. A., & Shi, Y. (2021). The non-negligible effect of viscosity diffusion on the geodynamo process. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 126, e2020JB021281. O网页链接)。 研究受国家自然科学基金项目(41725017, 42004049, 42074072),国家重点研发项目2014CB845906和中国地震局地球物理研究所基本科研业务专项(DQJB19B01, DQJB19B12)共同资助。

【作者简介】
董超,中国地震局地球物理研究所,助理研究员。2018年毕业于中国科学院大学,获博士研究生学位。从事地磁场发电机数值模拟及岩石圈磁异常结构等研究。主持国家自然科学基金1项,以第一作者在JGR-Solid Earth、地球物理学报等杂志发表论文4篇。Email:kookdc@163.com。
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