磁重联中的高能电子加速研究

Magnetic reconnection is a fundamental plasma process converting magnetic energy into particles’ kinetic and thermal energy, and has been widely accepted as a mechanism responsible for many explosive phenomenon in the universe such as solar flares, coronal mass ejection, Gamma-ray bursts, substorms, and the disruptions in fusion experiments. Typically a large amount of energetic electrons are observed when reconnection occurs. These electrons can excite hard X-ray emissions in the solar corona, and provide seed population for the radiation belts in the Earth’s magnetosphere. So far, exactly how these energetic electrons are produced is still unclear. A few models, including adiabatic and non-adiabatic, have been proposed in previous studies, but they failed to explain the amount of the energetic population. To fully understand the electron acceleration process, the measurement of three-dimensional (3D) electric field is necessary. In previous studies, however, such measurement is unavailable. The MMS mission, which will be lunched in March 2015, includes a 15-meter probe along the spin axis, so it may measure the 3D electric field successfully. In this project, we will use the MMS measurements to study energetic electron acceleration during magnetic reconnection. By analyzing the MMS data, we expect to better and fully understand the acceleration mechanism, and provide clear evidence for the acceleration process during reconnection.

磁重联是等离子体物理中能量转换的一个基本过程，它和自然界中很多爆发性现象(如太阳耀斑、日冕物质抛射、伽马射线暴、磁层亚暴、 以及核聚变中的扰动)密切相关，其发生通常伴随有大量高能电子。在太阳上，这些高能电子能够激发产生硬X射线；而在地球磁层中，它则为辐射带提供了种子电子。到目前为止，磁重联中的高能电子是如何产生的尚不清楚。之前的研究提出了各种模型(包括绝热的和非绝热的)，但都不能解释如此大量的高能电子。这其中最主要的一个原因就是没有观测数据的支持。电子的加速取决于电场，而空间三维电场的测量一直并不可靠。MMS卫星(计划于今年3月发射)在旋转轴方向上提供了15米长的探针，因而能获得较为理想的三维电场测量。本项目拟用MMS卫星的数据来研究磁重联中的高能电子加速现象。希望通过对MMS数据的分析，更全面更深刻的揭示高能电子加速的机制，为高能电子的产生过程找到直接证据。

磁重联是地球空间能量转换和释放的一个基本过程，是太阳风能量进入地球磁层的主要方式。在磁重联发生的过程中，磁场的拓扑结构被改变，同时电子被加速到超热甚至高能的能段。然而到目前为止，这些电子加速的具体机制和具体地方仍然不清楚。针对这一问题，我们分析了Cluster和MMS卫星的数据。我们发现磁重联耗散能量主要发生在O点，而非X点。这一发现挑战了过去几十年所建立起来的磁重联的理论框架。被美国地球物理学会评价为“颠覆了磁重联的传统观念”，被欧洲空间局评价为“挑战了当前对磁重联的认识”。此外，我们还发现了磁层顶重联对电子的加速效应、非约束重联喷流对高能电子的加速、孤立磁重联对电子的超高效加速、非对称磁场重联中的霍尔四级磁场及其伴随的电子加速、磁零点附近的电子加速特征，定量对比了磁重联和偶极化锋面加速电子的效率，揭示了磁重联X线附近的高能电子的分布函数，系统分析了重联锋面及其伴随的电子加速过程。在本项目的资助下发表了34篇国内外SCI论文，其中包括14篇GRL、5篇JGR、5篇APJ、5篇APJL、1篇APJS。部分成果被国际知名机构(如NASA, ESA, AGU)评为“研究亮点”或“重要成果”。项目负责人18次受邀在国际学术会议上做特邀报告，主办国际学术会议1次，担任国际会议召集人7次，参加国际空间科学研究所研究团队2个，受邀在AGU Geophysical Monograph上撰写综述论文1篇，在Science China Earth Sciences上撰写综述论文1篇，同时获得国际学术奖励1项(AOGS early career distinguished lecturer)。