论文部分内容阅读
磁场重联是自然界和实验室等离子体中普遍存在的基本物理过程，能改变磁场的宏观拓扑结构，并快速地将磁能转化为等离子体动能与热能。在日地空间环境中，磁场重联会导致诸多爆发性的空间天气，如磁层亚暴、太阳耀斑等。磁场重联涉及到系统流体尺度到动理学尺度的耦合。它经常发生在等离子体内的多尺度结构中，同时也会产生丰富的多尺度结构，如重联扩散区、磁通量绳、偶极化锋面、磁洞和湍流等。这些多尺度结构是如何产生的？它们在磁场重联的发生和演化中起着什么样的作用？它们是否会影响磁场重联中能量的转化与耗散，磁通量与物质输运，或者重联率？这些都是很重要但目前尚未被完全解答的问题。
地球磁层是研究无碰撞磁场重联的理想天然等离子体实验室。研究地球磁层中的磁场重联既有利于深入理解爆发性空间天气的物理机制，也有助于理解天体和实验室等离子体中磁能的快速释放机制。历史上有很多针对地球磁层的卫星探测计划。磁层多尺度(MMS)之前的卫星计划主要在流体和离子尺度对磁场重联进行研究，而MMS任务开启了在电子尺度研究磁场重联的新时代。在本博士论文中，我们主要使用MMS卫星的高精度探测数据，对伴随磁场重联的多尺度结构进行研究，揭示或证明了一系列新颖的物理图像和过程，以下是本论文的主要研究成果:
1、磁场重联中小尺度结构的特征与产生机制:
首次证实了次级磁通量绳可以由电子Kelvin-Helmholtz不稳性产生。MMS卫星在磁层项磁场重联扩散区内观测到一个亚离子尺度的磁通量绳镶嵌在一个电子流漩涡中，且在该磁通量绳边缘存在一个电子扩散区。该电子流漩涡由主重联形成的电子流剪切所激发的电子Kelvin-Helmholtz不稳性产生。产生后的电子流漩涡扭曲磁场并触发了次级磁场重联，进而产生了次级磁通量绳。我们通过粒子网格(PIC)数值模拟重现了这一过程。
报道了磁场重联扩散区内存在动理学尺度电子漩涡磁洞的首个观测证据。磁洞内存在较强的电流和非理想电场，为磁场重联提供了除电子扩散区以外的能量耗散通道。该磁洞可能由Biermann电池效应产生的电子孤立波激发，通过被捕获电子的抗磁化漂移电流演化形成。
发现了一个在重联X线下游延伸了至少20个离子惯性长度的电子扩散区。延伸的电子扩散区位于一个中等导向场非对称重联的出流区内。但这种延伸的电子扩散区没有降低重联率;该重联仍然是重联率约为0.1的快重联。目前的理论和数值模拟结果尚无法解释该电子扩散区的形成。
2、多尺度结构中的磁场重联:
首次报道了在主重联分界线区域发生的次级磁场重联。该次级磁场重联发生在磁层侧磁场和离子尺度磁通量绳的核心磁场之间，无法用二维的磁层顶重联模型进行解释，是一个三维磁场重联。该次级重联电流片在三个方向上的尺度都有限，且离子对该电子尺度电流片无响应，表明这是一个电子电子重联。这种三维电子重联展示了一种新的三维磁通量绳的演化方式，其可能在重联驱动的湍流演化中起着关键性的作用。
报道了在准垂直激波下游磁鞘中发生的磁场重联。这是一个多尺度不稳定性级联的磁场重联。离子镜像模不稳定性在流体尺度调制重联，改变电流片背景条件;倾斜的撕裂不稳定性在离子尺度调控重联，导致了电子扩散区的分叉结构和强烈的电子流剪切;电子Kelvin-Helmholtz不稳定性在电子尺度调制重联，在重联扩散区内形成若干电子流漩涡，磁洞和磁峰结构。这些结果提供了磁场重联中一种新的多尺度不稳定性级联方式，展示了一种新的重联扩散区电子动力学。
3、多尺度结构在磁场重联能量转化中的作用:
量化研究了磁通量绳内的电子绝热加速效率，直接证明了磁通量绳可以通过局地绝热加速产生高能电子。Betatron加速和费米加速都在该磁通量绳内加速电子;其中betatron加速可以在极短的时间内产生能量超过100keV的电子，而费米加速只能产生热电子，无法产生高能电子。
统计研究了122个偶极化锋面上的能量转化与耗散。结果表明，偶极化锋面上主要是磁能转化为等离子体能量;其中释放的磁能主要传给了离子而不是电子。离子在整个偶极锋面上获得能量;而电子在偶极化锋面的前端获得能量，在其后端则失去能量。此外，偶极化锋面上的焦耳耗散(J·E’)很小，而描述局部流体能量与热能相互转化的动理学能量耗散参数Pi-D不适合描述偶极化锋面上的能量耗散现象。
研究了磁层顶重联扩散区内的哨声波和宽带静电波。哨声波主要分布在重联分界线区域，宽带静电波主要分布在靠近电流片中心的区域。这些波动由局地的电子或离子速度分布函数中的不稳定结构产生，表明等离子体能量转化为等离子体波动能量。哨声波和Buneman波通过电子Pacman分布联系在一起，而不是通过波-波相互作用。倾斜的宽带静电波和多X线重联产生的离子束密切相关。
这些成果更新或加深了对磁场重联中的电子动力学、磁场重联的触发和演化、磁场重联中的能量转化、电子加速、等离子体波动激发的理解，同时也提出了一些新的问题和挑战，对未来的磁场重联研究有一定的指导性意义。
地球磁层是研究无碰撞磁场重联的理想天然等离子体实验室。研究地球磁层中的磁场重联既有利于深入理解爆发性空间天气的物理机制，也有助于理解天体和实验室等离子体中磁能的快速释放机制。历史上有很多针对地球磁层的卫星探测计划。磁层多尺度(MMS)之前的卫星计划主要在流体和离子尺度对磁场重联进行研究，而MMS任务开启了在电子尺度研究磁场重联的新时代。在本博士论文中，我们主要使用MMS卫星的高精度探测数据，对伴随磁场重联的多尺度结构进行研究，揭示或证明了一系列新颖的物理图像和过程，以下是本论文的主要研究成果:
1、磁场重联中小尺度结构的特征与产生机制:
首次证实了次级磁通量绳可以由电子Kelvin-Helmholtz不稳性产生。MMS卫星在磁层项磁场重联扩散区内观测到一个亚离子尺度的磁通量绳镶嵌在一个电子流漩涡中，且在该磁通量绳边缘存在一个电子扩散区。该电子流漩涡由主重联形成的电子流剪切所激发的电子Kelvin-Helmholtz不稳性产生。产生后的电子流漩涡扭曲磁场并触发了次级磁场重联，进而产生了次级磁通量绳。我们通过粒子网格(PIC)数值模拟重现了这一过程。
报道了磁场重联扩散区内存在动理学尺度电子漩涡磁洞的首个观测证据。磁洞内存在较强的电流和非理想电场，为磁场重联提供了除电子扩散区以外的能量耗散通道。该磁洞可能由Biermann电池效应产生的电子孤立波激发，通过被捕获电子的抗磁化漂移电流演化形成。
发现了一个在重联X线下游延伸了至少20个离子惯性长度的电子扩散区。延伸的电子扩散区位于一个中等导向场非对称重联的出流区内。但这种延伸的电子扩散区没有降低重联率;该重联仍然是重联率约为0.1的快重联。目前的理论和数值模拟结果尚无法解释该电子扩散区的形成。
2、多尺度结构中的磁场重联:
首次报道了在主重联分界线区域发生的次级磁场重联。该次级磁场重联发生在磁层侧磁场和离子尺度磁通量绳的核心磁场之间，无法用二维的磁层顶重联模型进行解释，是一个三维磁场重联。该次级重联电流片在三个方向上的尺度都有限，且离子对该电子尺度电流片无响应，表明这是一个电子电子重联。这种三维电子重联展示了一种新的三维磁通量绳的演化方式，其可能在重联驱动的湍流演化中起着关键性的作用。
报道了在准垂直激波下游磁鞘中发生的磁场重联。这是一个多尺度不稳定性级联的磁场重联。离子镜像模不稳定性在流体尺度调制重联，改变电流片背景条件;倾斜的撕裂不稳定性在离子尺度调控重联，导致了电子扩散区的分叉结构和强烈的电子流剪切;电子Kelvin-Helmholtz不稳定性在电子尺度调制重联，在重联扩散区内形成若干电子流漩涡，磁洞和磁峰结构。这些结果提供了磁场重联中一种新的多尺度不稳定性级联方式，展示了一种新的重联扩散区电子动力学。
3、多尺度结构在磁场重联能量转化中的作用:
量化研究了磁通量绳内的电子绝热加速效率，直接证明了磁通量绳可以通过局地绝热加速产生高能电子。Betatron加速和费米加速都在该磁通量绳内加速电子;其中betatron加速可以在极短的时间内产生能量超过100keV的电子，而费米加速只能产生热电子，无法产生高能电子。
统计研究了122个偶极化锋面上的能量转化与耗散。结果表明，偶极化锋面上主要是磁能转化为等离子体能量;其中释放的磁能主要传给了离子而不是电子。离子在整个偶极锋面上获得能量;而电子在偶极化锋面的前端获得能量，在其后端则失去能量。此外，偶极化锋面上的焦耳耗散(J·E’)很小，而描述局部流体能量与热能相互转化的动理学能量耗散参数Pi-D不适合描述偶极化锋面上的能量耗散现象。
研究了磁层顶重联扩散区内的哨声波和宽带静电波。哨声波主要分布在重联分界线区域，宽带静电波主要分布在靠近电流片中心的区域。这些波动由局地的电子或离子速度分布函数中的不稳定结构产生，表明等离子体能量转化为等离子体波动能量。哨声波和Buneman波通过电子Pacman分布联系在一起，而不是通过波-波相互作用。倾斜的宽带静电波和多X线重联产生的离子束密切相关。
这些成果更新或加深了对磁场重联中的电子动力学、磁场重联的触发和演化、磁场重联中的能量转化、电子加速、等离子体波动激发的理解，同时也提出了一些新的问题和挑战，对未来的磁场重联研究有一定的指导性意义。