高磁雷诺数条件下日冕爆发性磁重联的数值模拟研究

Magnetic reconnection is a critically important physical phenomena in space plasma physics, which can effectively transfer magnetic energy into plasma thermal energy and dynamic energy and can also accelerate many charged particles. So the simulation of magnetic reconnection is very useful to understand the process of solar flares and the related electron acceleration. Yet the magnetic Reynolds number is very high and the compute resource is rather limited, which make it difficult to resolve the fine structures of the diffusion regions and then the study of magnetic reconnection with high magnetic Reynolds number is restricted. With the help of the Adaptive Mesh Refinement (AMR) package named PARAMESH, we plan to introduce AMR technique into magnetic reconnection simulation and develop a two and half dimensional (2.5D) AMR magnetic reconnection model (AMR-KNP-CT), by which we investigate the dynamical evolution of the current sheet in solar coronal condition with high Reynolds number. Based on the time-dependent electric and magnetic fields generated by the resistive MHD simulation, we further adopt the test particle method to study the acceleration process of electrons, in which the trapping effect of islands may play an important role. It is expected that the work results will help understanding the energy release process and the source of energetic electrons of solar flares.

磁重联是一种空间等离子体中极为重要的物理现象，它能非常有效地将磁能转化为等离子体的热能和动能，并加速带电粒子。磁重联模拟对研究太阳耀斑爆发以及相关的电子加速等过程具有重要意义。然而，日冕中的磁雷诺数很高，目前受限于计算能力的限制，较低精度的网格难以分辨出磁重联扩散区的精细结构，进而阻止了高磁雷诺数条件下磁重联的数值研究。我们基于自适应软件包PARAMESH把并行自适应网格技术（AMR）引入磁重联数值模拟，建立2.5维自适应磁重联MHD模式（AMR-KNP-CT），研究高磁雷诺数条件下日冕电流片的撕裂，多尺度磁岛的生成、长大与相互合并等复杂的磁重联动态演化过程，并研究该过程中的奇性薄电流片、微小磁岛和慢激波对等精细结构；进而使用模拟产生的时变电场和磁场，采用测试粒子方法，深入探讨电子如何被多尺度磁岛捕获并加速。该研究将有助于理解太阳耀斑爆发的能量释放和高能电子来源。

磁场重联是一种非常重要的等离子体过程，能有效地把磁场能量转换成等离子体动能和热能，在太阳表面耀斑爆发及相关的高能电子加速中起着重要的作用。在国家自然科学青年基金课题的支持下，本项目主要建立了自适应的磁重联MHD模式（AMR-KNP-CT）；研究了高磁雷诺数条件下日冕电流片的撕裂，多尺度磁岛的生成、长大与相互合并等复杂动态演化过程；基于磁场重联模拟产生的时变电场和磁场，采用引导中心测试粒子方法，深入探讨了电子被多尺度磁岛捕获和加速的物理机制，发现磁岛束缚和平行电场加速是激发产生高能电子的重要原因，相关研究加深了对于太阳耀斑爆发的能量释放和高能电子来源物理机制的理解。此外，太阳表面剧烈磁场重联也伴随有物质流动和复杂波动，针对太阳大气磁场重联问题对AMR-KNP-CT模型进行改进，与北京大学地球空间科学学院凃传饴老师的研究团队深入合作，发现日冕闭合磁场与开放磁场重联可以产生初始太阳风，外流物质有闭合磁圈提供；进行了测试粒子模拟，得到超热电子可由磁场重联区对流电场产生；磁场重联模拟了色球海葵状喷流的产生过程，给出其主要由磁场重联驱动；模拟了日冕磁拱与背景开放磁场的重联，发现磁岛的快速抛射可产生快磁声波、慢磁声波和阿尔芬性的扰动。相关的研究成果，增进了对于日冕爆发性磁场重联及伴随的波动和电子加速等物理现象的认识。