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无碰撞磁重联中的低频电磁波活动

魏新华  
【摘要】: 在空间物理中,磁场重联是最重要的等离子体和能量转换的过程。磁场重联被认为是日冕物质形成和抛射的一种重要机制,在日冕加热和太阳风等离子体能量向磁层的输入过程中起着重要的作用。在磁层中,输入的太阳风能量是以磁场的形式储存在磁尾中,在某种机制的触发下,通过重联转化为粒子动能。磁场重联在太阳-地球连接物理过程中起着重要作用。磁重联的研究在过去的几十年里,从大尺度的MHD重联发展到了小尺度的无碰撞重联。由新的理论模型得到的重联率要比过去的大很多。本文通过引入无碰撞效应的MHD模型研究了磁重联前无碰撞电流片的中波的稳定性,并利用Cluster卫星观测的数据,分析了重联过程中波的活动特性。本文的主要结果如下: 1.理论研究 1)无碰撞电流片中可以激发哨声不稳定性。引导场对电流片中的不稳定性波模有着重要的影响。研究结果显示:a)如果在非均匀方向上没有有扰动场传播,引导场消失或者引导场比较小的时候二维扰动传播的波是稳定的。二维扰动不稳定性和引导场有着密切的联系,只有引导场比Harries电流片的边缘磁场大时,波的不稳定性才出现;b)三维扰动传波中伴随着引导场增强,不稳定性也随着增强,在电流片中间平面上不稳定波模的频率也随之升高,从低混杂模过渡到哨声模。但在电流片中间平面上没有引导场也没有不稳定性;c)Hall效应对波模没有明显的影响,但会使波模更不稳定。 2)二维三分量不可压缩MHD模型的数值计算中也得到了哨声不稳定性。该模型中二维扰动量传播矢量中包含了一个磁场和密度非均匀方向上的分量。斜传播的哨声波是不稳定的,朝中性片方向传播(k_zd_i 0)的波比离开中性片方向传播(k_zd_i0)的波有更大的增长率和更宽的不稳定的波数范围。 3)扰动场传播矢量中只要包含磁场和密度非均匀方向的分量,在离开中性片中心位置哨声模是不稳定的。 2.观测分析 1)利用Cluster卫星数据,分析了2002年8月21日的无碰撞重联事件和哨声波活动。有关结果如下:a)哨声波活动在重联事件观测到磁场南向分量BBz出现以前30s就先观测到,整个尾向高速流和南向磁场期间都观测到了哨声波活动;b)随着高速流的增强,哨声波的频率增大,极化强度也更强c)观测到哨声的同时,还观测到了双向的电子流。重联过程中哨声波和能量电子最有可能的关系是爆发的双向的能量电子激发或者是增强了哨声波。这类平行和反平行方向的能量电子可能存在于重联扩散区内。 2)2001-2003年Cluster共统计到了14次重联事件。其中10次可以被确定为无碰撞重联事件。这10次无碰撞重联事件有8次观测到了波活动出现在BBz分量转南向30s以前。有关结果如下:a)14次事件中,有10次重联扩散区附近与磁场匹配很好的尾向高速离子流伴随着Hall磁场的极性分布。8次观测到了波活动出现在B_z分量转南向30s以前。这些提前观测到的波包含了右旋偏振、准平行传播的哨声模。b)Hall磁场的重联事件中均能观测到哨声波活动。哨声波的频率随着尾向离子流的增强而升高,扰动能量密度也增大。尾向离子流最大的时候,哨声波的频率接近电子回旋频率。 从以上结论可以得出,波活动和磁场重联活动有着密切的关系,波活动可能触发了重联活动的,反过来重联又增强了波活动。


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