無碰撞磁場重聯(lián)中的電子動力學(xué).pdf

1、磁場重聯(lián)是一種等離子體中基本的物理過程。它與磁層、行星際、太陽大氣以及實(shí)驗(yàn)室等離子體中的很多爆發(fā)現(xiàn)象相關(guān)。磁場重聯(lián)提供了一種磁能快速轉(zhuǎn)化成等離子體動能和熱能的機(jī)制。磁場重聯(lián)這個概念是Giovanelli在1946年提出來的，用來解釋太陽耀斑里面的粒子加速。在過去的半個多世紀(jì)以來，研究者從觀測和數(shù)值模擬角度對磁場重聯(lián)做出了大量的研究成果。盡管如此，目前關(guān)于磁場重聯(lián)依舊存在著很多爭論的問題。本文利用了二維的全粒子模擬和衛(wèi)星觀測，對無碰撞磁場

2、重聯(lián)過程中的擴(kuò)散區(qū)結(jié)構(gòu)、電子電流片的演化、次級磁島、電子加速以及磁島結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，得到了以下結(jié)果。
　　 1.無碰撞磁場重聯(lián)中的擴(kuò)散區(qū)結(jié)構(gòu)通過二維PIC模擬，發(fā)現(xiàn)磁化電子由于磁鏡效應(yīng)沿著分離線流入X線附近被加速，然后沿著分離線內(nèi)側(cè)流出X線，這樣形成了平面內(nèi)分離線附近的Hall電流系。這樣對稱的面內(nèi)電流系形成了面外的Hall四極磁場。這樣，Hall磁場峰值位置在分離線內(nèi)側(cè)，而電子密度空穴層在分離線上，所以Hall磁場峰值所在的位

3、置比電子密度空穴層更靠里。這種位置對應(yīng)關(guān)系通過Cluster衛(wèi)星的觀測得到了進(jìn)一步證實(shí)。
　　 2.無碰撞磁場重聯(lián)中的電子擴(kuò)散區(qū)和次級磁島利用二維PIC模擬研究發(fā)現(xiàn)，在X線附近平行電場的作用下，電子在垂直于重聯(lián)平面方向被加速形成了電子電流片。由于電子電流片受到的電場力和安培力不平衡，導(dǎo)致了電子電流片變得又長又薄，從而引發(fā)了撕裂模不穩(wěn)定性形成了種子磁島。最后小磁島合并形成了一個明顯的次級磁島。次級磁島的長寬比約為2:1；同時島內(nèi)的

4、面外磁場明顯增強(qiáng)。這些特征都與Cluster衛(wèi)星的觀測一致。
　　 3.無碰撞磁場重聯(lián)中的電子加速通過二維PIC模擬得到的固定場位形中的測試電子運(yùn)動的分析，發(fā)現(xiàn)在反平行重聯(lián)中，初始位于分離線上的電子可以在X線附近的小區(qū)域內(nèi)被有效加速，而初始位于分離線內(nèi)側(cè)的電子可以在磁力線堆積區(qū)被加速。在引導(dǎo)場重聯(lián)中，初始位于負(fù)分離線上的電子可以在X線附近被平行電場有效加速。而且隨著引導(dǎo)場的引入，X線附近的加速變得更有效。此外，對于以上的加速，初

5、始動能越高的電子加速越顯著?？傊?，電子加速可以分為三個階段：流入X線附近的預(yù)加速、在X線附近區(qū)域加速以及從X線流出加速。
　　 4.引導(dǎo)場磁場重聯(lián)中的磁島結(jié)構(gòu)利用二維PIC模擬來研究有初始引導(dǎo)場的多重X線重聯(lián)中的磁島結(jié)構(gòu)。我們在磁島中發(fā)現(xiàn)了面外磁場增強(qiáng)，并且在磁島的中央磁場強(qiáng)度有所下降。我們給出了這一結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制：在X線附近加速的電子形成了磁島外緣的反平行電流，而磁島內(nèi)的電子由于平行電場的弱加速和電場漂移的共同作用形成了磁島內(nèi)