磁场重联中波粒相互作用的理论研究

磁场重联是空间物理学中一个十分重要的研究课题，它与许多空间爆发现象密切相关。磁场重联不仅仅是磁场拓扑位形的迅速改变，而且伴随着丰富的等离子体动力学过程。本项目将利用资料分析、理论研究和数值模拟（MHD模拟、粒子模拟、混合模拟，试验粒子方法等），研究磁场重联中带电粒子的运动轨道和加速机制、电磁波动的性质和激发机制、以及波动与带电粒子相互作用的物理过程，试图对磁场重联的完整图像有进一步的认识。同时将理论研究和数值模拟结果，与有关卫星探测结果相比较，用于解释空间爆发现象。

应用数值模拟（粒子模拟、混合模拟和试验粒子方法）和资料分析，研究了无碰撞磁场重联过程中带电粒子加热和加速机制以及波动与带电粒子相互作用的物理过程。模拟结果表明，在X线附近，由于电场和电子压力梯度力做功，电子整体动能密度远大于电子热能密度； 而在磁岛中由于等离子体压缩导致电子热能密度增加。在激光驱动磁场重联的扇状外流区中观测到三叉高速电子喷流，二维粒子模拟解释了这三束超Alfvén速电子喷流的形成机制。在磁场重联外流区和慢激波上游可以形成离子束流，并通过离子/离子不稳定性激发斜传播Alfvén波，进而通过共振相互作用加热背景等离子体。对低β等离子体中单色Alfvén波的参数不稳定性开展了二维混合模拟研究。对于线极化的泵波，平行传播或斜传播的Alfvén波都能导致着垂直方向上的衰变；而对于左手极化的泵波，仅仅斜传播的Alfvén波能够产生垂直衰变。斜传播的大振幅Alfvén波和磁声波都可由于亚回旋频率处的共振作用使得离子运动为随机的，并导致离子加热。还应用数值模拟和资料分析方法研究了无碰撞激波中带电粒子的加速及激波上下游波动的特征。