磁重联中磁通量绳合并的观测和数值模拟研究

Magnetic reconnection is a fundamental plasma process in space. In this process, magnetic free energy is released and converted into plasma kinetic energy and heating. Magnetic topology is changed also. From the time when the reconnection was proposed, the researcher has been investigated what is taking place within the diffusion region of magnetic reconnection and lead magnetic energy to be released. Numerical simulations proposed that plasmoid instability will facilitate the fast magnetic reconnection. By using the spacecraft data, our recent research indicates that reconnection diffusion region is filled with magnetic flux ropes, and magnetic reconnection evolved into turbulence due to generation and coalescence of magnetic flux ropes. In this process, magnetic energy is released. In support of this project, we try to study generation mechanism of magnetic flux ropes, their interaction, and effect of magnetic flux rope coalescence on electron dynamics, by the spacecraft measurement and simulations, and reveal the potential physics of the energy dissipation during magnetic reconnection.

磁重联是空间等离子体中的基本物理过程。该过程中，磁自由能被快速地释放转化为等离子体动能和热能，磁场的拓扑结构也发生改变。自磁重联提出至今，研究者一直在探索磁重联扩散区内部究竟发生着什么物理过程，使得磁能可以快速地释放。数值模拟的研究指出磁重联过程中，等离子体团不稳定可以实现快速磁重联。通过分析卫星数据，申请人最新的研究工作表明，磁重联扩散区内部存在很多磁通量绳，磁通量绳的生成和合并过程使得磁重联演化为湍流。这一过程也是磁能快速释放的过程。在本项目的资助下，申请人拟采用卫星观测和计算机数值模拟的方法，对磁重联扩散区内部磁通量绳的生成机制、相互作用的方式和磁通量绳合并对电子动力学行为的影响等方向开展深入研究，揭示磁重联过程中能量耗散的物理本质。

磁场重联是等离子体中一种基本物理过程。该过程中，磁自由能被快速释放转化为等离子体动能和热能。项目负责人早期的研究指出，磁场重联过程中磁通量绳的形成和相互作用是磁能转化的重要组成部分。然而磁绳相互作用的方式，带电粒子的加速机制有待进一步研究。 利用卫星数据和计算机模拟，本项目研究了磁通量绳的形成、相互作用、带电粒子加速及加热机制，磁场重联电子扩散区特征等问题。 基于磁绳合并的物理本质，提出了磁绳合并的判断标准。 发现磁绳之间的挤压是磁绳合并的必要条件，磁绳合并过程中可以通过合并电场有效加速电子。磁通量绳内部存在多种波动，包括低混杂波和哨声波。 低混杂波主要是有磁绳内部等离子体密度和磁场强度梯度激发。低频段哨声波的激发主要是局地的温度各向异性。 高频段哨声波应该来自于内磁层。哨声波可以有效地改变磁绳内部电子分布特征。 电子扩散区内部电子分布主要呈非回旋分布特征，这种分布受到电子能量、离中性片距离和霍尔电场调制。该项目的研究结果表明磁场重联可以通过多种方式，有效地转化磁能，加热和加速电子。