无碰撞磁场重联中引导场效应研究

Magnetic reconnection is a physical process, by which magnetic energy is rapidly converted into plasma kinetic energy and heating.In the study of magnetic reconnection, it is crucial to reveal the structure of reconnection diffusion region and charged particle dynamics within it. Theories and numerical simulations have pointed out that the diffusion region in reconnection without guide field displays symmetric multi-layer structures, its structure and particle distribution will alter in reconnection with a guide field, and even dramatically change while the guide field is strong enough.Moreover, many small scale strucutres would be generated within the reconnection diffusion region in reconnection with a guide field, and the reconnection rate and electron acceleration will be effected also. In this project, using the spacecraft observations at the magnetopause and in the magnetotail in one solar activity cycle, we will study the evolutional law of the electric and magnetic structure and particle distribution as the change of the strength of guied field, and the typical characteristic within the reconnction diffusion region under a strong guide field (including Hall electric and magnetic field, a variety of small structures, plasma waves and so on). This research will reveal the influences of guide field on Hall electric and magetic field, a variety of small strucutres, and particle distribution, make us further and roundly understand the guide field effect on magnetic reconnection.

磁场重联是一种将磁能快速转化为等离子体动能和热能的物理过程。磁场重联扩散区结构及其内部粒子动力学行为是研究磁场重联的关键。理论和计算机模拟研究指出：无引导场情况下、磁场重联扩散区及其内部带电粒子呈多层、对称分布；在有引导场的情况下，这种对称分布将发生扭曲；强引导场情况下,扩散区结构和粒子动力学行为将发生剧烈变化、对称分布被破坏。此外，引导场磁场重联中，扩散区内部可能会生成多个小尺度结构（例如：次级磁通量绳、密度空穴等），从而影响重联率和电子加速等。本项目拟采用卫星在地球磁层顶和磁尾一个太阳活动周的观测数据，系统地研究重联扩散区结构和粒子分布特征随引导场变化而演化的物理规律、以及强引导场重联中扩散区内部典型特征（包括Hall电磁场、各种小尺度结构和等离子体波动等）。本项目的研究将揭示引导场对重联过程中Hall效应、扩散区结构、和粒子分布的影响，使我们更全面深刻地理解重联过程中的引导场效应。

磁场重联是一种将磁能快速转化为等离子体动能和热能的物理过程。磁场重联扩散区结构及其内部粒子动力学行为是研究磁场重联的关键。理论和计算机模拟研究指出导向场对磁场重联扩散区结构及其内部带电粒子的运动产生显著影响，但观测证据较少。基于卫星在地球磁尾和磁层顶的观测，负责人及合作者研究导向场对扩散区结构及带电粒子运动的影响，揭示强导向场情况下磁重联扩散区典型特征。负责人的研究发现，导向场对扩散区内部的电磁结构产生显著影响，弱导向场情况下，扩散区内部Hall磁场基本是对称分布的、厚度为几个离子惯性长，具体厚度取决于离磁重联点的距离。对称分布的Hall磁场主要是由对称的电子入流和电子出流环导致的。当存在导向场时，由于洛伦兹力的作用、出流电子将发生偏转，从而使Hall磁场的拓扑位型发生明显改变，这一改变随着导场强度的增强越发显著。随着导向场的增强，扩散区内部的电子电流片更容易发生不稳定性，生成螺旋型的磁拓扑位型—磁通量绳。磁通量绳会相互合并从而使得磁重联演化为湍流，该研究成果2016年发表在Nature Physics期刊上，文章发表以后科学网、奥地利科学院等新闻媒体对这一研究成果作了新闻报道。随后的研究发现，磁重联过程中磁通量绳的合并对其演化非常重要、而且可能比较普遍，因为负责人在磁尾和磁层顶都观测到类似的合并事例，文章发表在JGR上，2017年关于磁层顶磁通量绳合并的工作被JGR选为亮点工作[Wang et al., JGR2017]。同时，负责人的研究证实电流片两侧磁场和等离子体条件对磁重联的影响。该研究成果2017年发表在Phys.Rev.Lett.上。 .负责人及合作者的研究，厘清了导向场对磁重联过程中扩散区附近电磁结构和电子运动一般规律的影响；证实了在强导向场情况下，电子电流片更容易发生不稳定而生成磁通量绳、磁通量绳之间的相互作用使得磁重联演化为湍流；发现了导向场和电流片两侧的非对称对磁重联的共同影响。该研究成果有利于理解不同等离子体环境下，磁重联过程中的能量转化和耗散的物理机制。