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无碰撞磁场重联中的电子动力学

黄灿  
【摘要】:磁场重联是一种等离子体中基本的物理过程。它与磁层、行星际、太阳大气以及实验室等离子体中的很多爆发现象相关。磁场重联提供了一种磁能快速转化成等离子体动能和热能的机制。磁场重联这个概念是Giovanelli在1946年提出来的,用来解释太阳耀斑里面的粒子加速。在过去的半个多世纪以来,研究者从观测和数值模拟角度对磁场重联做出了大量的研究成果。尽管如此,目前关于磁场重联依旧存在着很多争论的问题。本文利用了二维的全粒子模拟和卫星观测,对无碰撞磁场重联过程中的扩散区结构、电子电流片的演化、次级磁岛、电子加速以及磁岛结构进行了研究,得到了以下结果。 1.无碰撞磁场重联中的扩散区结构 通过二维PIC模拟,发现磁化电子由于磁镜效应沿着分离线流入X线附近被加速,然后沿着分离线内侧流出X线,这样形成了平面内分离线附近的Hall电流系。这样对称的面内电流系形成了面外的Hall四极磁场。这样,Hall磁场峰值位置在分离线内侧,而电子密度空穴层在分离线上,所以Hall磁场峰值所在的位置比电子密度空穴层更靠里。这种位置对应关系通过Cluster卫星的观测得到了进一步证实。 2.无碰撞磁场重联中的电子扩散区和次级磁岛 利用二维PIC模拟研究发现,在X线附近平行电场的作用下,电子在垂直于重联平面方向被加速形成了电子电流片。由于电子电流片受到的电场力和安培力不平衡,导致了电子电流片变得又长又薄,从而引发了撕裂模不稳定性形成了种子磁岛。最后小磁岛合并形成了一个明显的次级磁岛。次级磁岛的长宽比约为2:1;同时岛内的面外磁场明显增强。这些特征都与Cluster卫星的观测一致。 3.无碰撞磁场重联中的电子加速 通过二维PIC模拟得到的固定场位形中的测试电子运动的分析,发现在反平行重联中,初始位于分离线上的电子可以在X线附近的小区域内被有效加速,而初始位于分离线内侧的电子可以在磁力线堆积区被加速。在引导场重联中,初始位于负分离线上的电子可以在X线附近被平行电场有效加速。而且随着引导场的引入,X线附近的加速变得更有效。此外,对于以上的加速,初始动能越高的电子加速越显著。总之,电子加速可以分为三个阶段:流入X线附近的预加速、在X线附近区域加速以及从X线流出加速。 4.引导场磁场重联中的磁岛结构 利用二维PIC模拟来研究有初始引导场的多重X线重联中的磁岛结构。我们在磁岛中发现了面外磁场增强,并且在磁岛的中央磁场强度有所下降。我们给出了这一结构的形成机制:在X线附近加速的电子形成了磁岛外缘的反平行电流,而磁岛内的电子由于平行电场的弱加速和电场漂移的共同作用形成了磁岛内的平行电流,这两组电流的共同作用下形成了火山口状的面外磁场分布。此外,还给出了一起与这种结构对应的火山口型的通量传输事件(C-FTE)的THEMIS卫星观测。


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