行星际太阳风中磁场重联动力学过程研究

Solar wind reconnection (or reconnection in the solar wind) is one of the frontiers in Interplanetary Space Physics. Although lots of reconnection exhausts have been reported, the absence of direct evidence for reconnection diffusion region makes the identification of solar wind reconnection in interplanetary space, especially at 1 AU, insuffient and debatable. Hence, the direct identification of reconnection diffusion region plays a critical role in solar wind reconnection research. Observational studies demonstrate that solar wind reconnection performs characteristics of large-scale, quasi-steady and non-explosive, which are quite different from the observations in Earth's magnetopause and magnetotail. Further investigations are required to analyze the reasons for the difference and the physical nature of solar wind reconnection is also not clear. That the resolution of interplanetary spacecraft data is relatively low is one of the disadvantages in studying the solar wind reconnection. In this project, we will study the dynamic process of solar wind reconnection through observations. Our researches include searching and examing the diffusion region of solar wind reconnection using magnetospheric spacecraft, such as Cluster, THEMIS and ARTEMIS, when they are in the solar wind, and investigating the probable driving factors for the quasi-steady reconnection and the large-scale geometric characteristic of reconnection exhaust through multiple spacecraft observations. Since the solar wind is a high turbulent plasma, the study of turbulent features of solar wind reconnection is also one of the main research contents in this project. Our purpose is to understand the physical nature of the characteristics of solar wind reconnection.

太阳风磁重联是近年来行星际物理的前沿课题之一。虽然大量的重联喷流区事件被报道出来，但是，重联扩散区直接观测证据的缺失使得对于行星际特别是1 AU 附近太阳风中是否存在磁场重联仍存有争议，因此，对太阳风磁重联扩散区的证认显得十分重要。观测表明，太阳风磁重联表现出了与磁层顶和磁尾重联不同的特征，比如大尺度，准稳态以及非爆发性等，是什么原因造成了这些差异还有待深入分析，其中的物理过程也并不十分清晰,而行星际飞船观测数据分辨率不高是研究太阳风磁重联的瓶颈之一。在本项目中，我们主要通过观测手段来研究太阳风磁重联的动力学过程，主要包括利用高分辨率的磁层飞船处于太阳风中时获得的高精度数据寻找并分析太阳风重联扩散区特征以及利用多飞船联合观测研究准稳态重联可能存在的驱动因素和重联喷流区的大尺度几何位形，并结合太阳风磁重联湍动特征的研究，试图从物理本质上解释太阳风重联所表现出来的特征。

太阳风的加速和加热一直是困扰空间物理界的一个重要问题。磁重联作为一种非常有效的加热和加速机制，常常被当作太阳风加热和加速的候选机制之一。自太阳风中的磁重联现象被发现以来，其很多性质都与地球磁层磁重联存在很大的差异，例如重联区都是准稳态的结构，重联率普遍较低，没有观测到重联的扩散区或者动力学效应，几乎没有电子和离子的加热和加速等。这些特征导致学者们普遍相信太阳风中的磁重联很有可能是在太阳风附近触发的，当它们在地球附近被我们观测到时很有可能已经停止了。本项目研究太阳风磁重联的动力学过程能帮助我们回答上述问题，因而对于太阳风磁重联的研究意义重大。..通过本项目的实施，我们顺利完成了本项目所提出的各项研究内容，并达到了预期的研究成果。我们首次在太阳风喷流区中找到了重联动力学效应的直接证据，即离子和电子与磁场解耦导致的霍尔效应。从而证明在地球附近的太阳风磁重联可以是动态的，并未停止。更进一步，我们利用三颗卫星的联合观测发现，太阳风中的磁重联能在地球附近触发。观测显示，导致重联触发的原因并不是压缩效应，我们根据上下游卫星在有和没有重联的电流片同一个电流片里面观测到的不同的高能离子和超热电子的情况，提出了高能离子和超热电子触发磁重联的潜在机制。这个机制有可能解释太阳日冕中一个太阳爆发事件诱发其他爆发事件随后发生的情况。因此，我们的研究结果不仅解决了上述问题，而且对磁重联的触发理论也是一个重要贡献。..此外，我们发现与磁重联相关的电流片在穿越几乎没有载流子的近月尾迹时，里面的重联极有可能已经停止了。但是由于法向分量的存在，上下游入流区的磁力线有可能还是重联在一起。换句话说，在这种情况下，电流片两端的磁力线已经断开并重新连接在一起了，但是与此对应的是并没有磁能快速转化为等离子体的动能和热能。我们还首次发现行星际磁重联产生的湍流在能量耗散区具有独特的多分形特性，这种特性又仅仅存在于在磁重联扩散区附近，与背景太阳风湍流的单分形湍动特性有着明显的区别。这些结果说明磁重联过程中的磁能耗散是一个与尺度相关的间歇性过程，而太阳风湍流在大多数时候是通过波粒相互作用耗散的。