無碰撞磁場重聯(lián)擴散區(qū)結構和電子加速.pdf

1、磁場重聯(lián)是空間物理和實驗室等離子體物理中重要的研究課題，也是研究熱點和難點。衛(wèi)星觀測是研究磁場重聯(lián)的重要手段之一。本文利用Cluster衛(wèi)星磁尾觀測數(shù)據(jù)，研究了磁場重聯(lián)擴散區(qū)結構、電子密度空穴、高能電子加速、電子投擲角分布和亞暴等問題，得到了一些重要結果，具體如下：
　　 1.無碰撞磁場重聯(lián)擴散區(qū)結構及次級磁島
　　 利用Cluster衛(wèi)星2003年10月4日的觀測數(shù)據(jù)，分析了單個重聯(lián)事例。觀測發(fā)現(xiàn)，離子擴散區(qū)中心區(qū)域出

2、現(xiàn)了次級磁島。次級磁島帶有很強的核心磁場，磁島長寬比約為2∶1，即磁島是扁平結構，在z方向被壓縮(GSM坐標系)。磁島內(nèi)部，能量達200keV的高能電子通量出現(xiàn)峰值，電子平行溫度大于垂直溫度。對磁島內(nèi)部結構進一步分析發(fā)現(xiàn)，磁島的“外部區(qū)”電子密度出現(xiàn)峰值，而磁島“核心區(qū)”電子密度降低到很低水平。同時發(fā)現(xiàn)磁島“外部區(qū)”，沿磁力線方向存在很強的電子束流，從而形成了由磁場數(shù)據(jù)計算得到的逆著磁力線的電流。此電流產(chǎn)生了核心區(qū)很強的核心磁場，擠壓電

3、子，使得電子堆積于磁島的“外部區(qū)”。分析擴散區(qū)內(nèi)電子譜線發(fā)現(xiàn)，擴散區(qū)內(nèi)電子分布呈平頂分布，在磁島的“外部區(qū)”，這種平頂分布依然存在，但是在“核心區(qū)”，平頂分布消失，出現(xiàn)了電子的指數(shù)分布。由于低能電子被加速，低能電子的相空間密度必然降低，而較高能量電子的相空間密度增加，使得在一定能量范圍內(nèi)，電子的相空間密度保持定值，及所謂的平頂分布。重聯(lián)電場和擴散區(qū)及磁島“外部區(qū)”觀測到的低混雜波可能同時加速電子，形成了觀測上的高能電子分布。
　　

4、 2.無碰撞磁場重聯(lián)擴散區(qū)內(nèi)電子投擲角分布
　　 利用2001年9月10日的觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)Cluster衛(wèi)星分成兩組同時穿越了磁尾重聯(lián)擴散區(qū)的南北部分。分析發(fā)現(xiàn)，X線區(qū)域附近分界線外側區(qū)域，低能電子呈雙向分布、而高能電子呈各向同性分布；分界線以內(nèi)的區(qū)域，低能電子依舊出現(xiàn)雙向分布，而高能電子出現(xiàn)逆著磁力線方向的電子束流。對于出流區(qū)域，分界線附近，低能電子沿磁力線進入X線區(qū)域、高能電子逆著磁力線流出X線區(qū)域，靠近電流片區(qū)域，低能電

5、子出現(xiàn)雙向分布、而較高能量的電子各向同性分布。利用粒子模擬，給出了這些分布的形成原因。X線區(qū)域，低能電子由于磁鏡效應，將在X線區(qū)域多次彈跳，故低能電子出現(xiàn)雙向分布。在X線區(qū)域被加速的電子，沿磁力線離開，形成高能尾，所以，出流區(qū)分離線附近，低能電子流入X線區(qū)域、高能電子流出。當衛(wèi)星進入出流區(qū)電流片中心區(qū)域，低能電子出現(xiàn)雙向分布而高能電子各向同性。由于磁鏡效應，低能電子沿著磁力線多次來回彈跳，形成了這種雙向分布。對于高能電子，電子的回旋半徑

6、和磁場曲率相當，電子隨機運動、形成了各向同性的分布。
　　 3.無碰撞磁場重聯(lián)擴散區(qū)內(nèi)高能電子空間分布
　　 利用2001年9月10日的重聯(lián)事例，分析了擴散區(qū)內(nèi)部高能電子的空間分布。分析發(fā)現(xiàn)，高能電子堆積于重聯(lián)堆積區(qū)，而在X線區(qū)域高能電子很少。等離子體溫度也出現(xiàn)了類似的變化：X線附近溫度降低，而在堆積區(qū)溫度升高。此外，高能電子分布在X線地側和尾側不對稱，在地側的高能電子通量高于尾側的通量。依據(jù)觀測推斷電子只在擴散區(qū)被加速

7、，被加速電子堆積在重聯(lián)堆積區(qū)。觀測否定了二步加速機制，因為如果電子在堆積區(qū)被進一步加速，我們將會在堆積區(qū)之外觀測到更多高能電子。X線地側和尾側高能電子分布的不對稱性可能是由于地球偶極磁場所致。
　　 4.磁層亞暴單事例分析
　　 磁尾磁場重聯(lián)和磁層亞暴關系密切，利用位于中磁尾的CLUSTER衛(wèi)星，同步軌道附近LANL-01、LANL-97衛(wèi)星，近磁尾POLAR和極區(qū)IMAGE衛(wèi)星的觀測，分析了單個亞暴事例。在此事件中，中