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磁重联中的电子加速和动力学Alfvén孤波的数值研究

丁健  
【摘要】: 磁场重联作为一种能将磁能快速转化为动能和热能的机制,其概念已被物理学家广泛接受,并为各种直接或者间接的观测所证明。而磁场重联中的高能离子和电子加速机制一直以来都是一个重要的研究课题。 太阳耀斑中的各种辐射现象说明在这类爆发事件中有相当强的高能量的电子产生。磁场重联作为一种重要的耀斑触发机制,和耀斑过程中的这些电磁辐射现象有着密切关系。观测表明,耀斑中电子加速发生在软X射线耀斑环上方的磁重联区域,在重联电流片中被super-Dreicer电场直接加速看起来是产生能量在10keV和10MeV之间的高能电子的最直接的方式。因此,研究磁场重联对电子的加速机制有着重要意义。 本文在采用二维三分量的数值模拟方法研究Petschek模型磁场重联的电磁场的基础上,加入试验电子,考察了电子加速问题,并物理分析其加速机制。研究发现,磁场重联可以通过感应电场加速电子,加速区内的磁场很微弱,但是特殊的电磁场结构能在重联平面内捕获被加速电子,并有效地将电子“锁”在重联电流片上,这样电子就可以长时间地受到感应电场加速作用而在垂直于重联平面方向被持续加速,直到速度足够大而摆脱磁场的束缚并被磁场偏转到平行于重联平面方向,表现为高速出流。这类电磁场结构比较特殊,主要存在磁岛和X线附近区域。本文提出的这种磁岛加速电子的机制对于解释产生相对论性粒子的脉冲式耀斑可能是一个有效的模型。 一些研究发现磁场重联中存在密度空洞,并认为该空洞是一种动力学Alfven波的非线性结构。动力学Alfven波(KAW)是理想磁流体Alfven波被电子惯性效应或离子有限回旋半径效应修正后形成的,而动力学Alfven孤波(SKAW)则是动力学Alfven波的非线性结构,是等离子体中色散效应和非线性效应达到平衡时的特殊结构。KAW和SKAW均携带平行于背景磁场的电场,因此被广泛应用于带电粒子的加速和加热。研究动力学Alfven孤波的一些物理特性是十分有意义的。 本文利用双流体模型,对α1(α=β/2Q,β是热压-磁压比,Q是电子-质子质量比)情形下的动力学Alfven孤波进行数值模拟。两个动力学Alfven孤波在碰撞之后仍保持原来的形状和速度,显示出动力学Alfven孤波可以用标准的KDV方程的解来近似,其行为与标准的孤波类似。模拟结果还表明动力学Alfven孤波经过密度间断面进入高密度区时将在间断面处的发生透射与反射,透射波是密度振幅增大的动力学Alfven孤波,反射为小振幅的扰动。


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