利用全粒子模拟研究电离层对磁尾重联的响应

Magnetic reconnection is one of the most fundamental processes in magnetized plasmas, releasing explosively the magnetic field energy into plasma kinetic energy. The reconnection process is believed to have a significant impact on magnetospheric substorms of the Earth leading to the aurora breakup in the polar ionosphere. However, the actual roles of magnetotail reconnection on substorm processes have been poorly understood yet. This is mainly because the substorm processes inherently involve multiscale process: magnetic reconnection takes place in the kinetic scales, while the magnetic field configuration is dynamically changed in a global scale. ..The proposed research investigates how magnetotail reconnection has an impact on the processes near the ionosphere, by means of full particle simulation where both the ion and electron kinetic effects are included. Our particle code employs the adaptive mesh refinement, which enables large-scale kinetic simulation of multiscale phenomena within reasonable computer resources. The simulations are carried out for a realistic magnetotail configuration under the Vlasov equilibrium. Magnetotail reconnection is triggered by external force imitating the magnetic pressure enhancement before the substorm onset. The “ionosphere” is produced by a dissipative region near the system boundary at the earthward edge of the simulation domain. In the dissipative region, the electromagnetic waves are partially damped and the particle motions are disturbed, depending on the electric conductivity provided. The project is aimed to clarify whether or not the reconnection process can result in the intense electron acceleration leading to aurora breakup near the ionosphere.

磁场重联是磁化等离子体中最基础的过程之一，可以使磁能爆发性地转化为等离子体动力学能。重联被认为对地球磁层亚暴有重要影响，亚暴会导致极地电离层中极光爆发。但是磁尾重联对亚暴过程的具体作用还没有被完全理解。这主要是因为亚暴过程涉及到多尺度过程：磁重联发生在动力学尺度，而磁场形态在全球尺度动态地改变。..本研究主要利用包含离子和电子动力学影响的全粒子模拟研究磁尾重联如何影响电离层附近的亚暴过程。我们的全粒子模拟程序使用自适应网格技术，可以在合理的计算资源情况下进行多尺度现象的大尺度动力学模拟。在弗拉索夫平衡下进行模拟得到真实的磁尾形态。在亚暴发生之前，磁尾重联由模拟磁压增强的外力触发。“电离层”是由仿模拟区域地向边缘系统边界附近的耗散区产生的。在耗散区域，根据所提供的电导率，电磁波部分地被衰减并且粒子运动被扰乱。该项目旨在阐明重联过程是否会导致强烈的电子加速，从而导致电离层附近的极光爆发。

磁重联是等离子体物理中的一个基本过程，它能将磁场能量快速释放为等离子体动能和热能。重联过程是由x线周围的磁场耗散驱动的，因为磁场耗散破坏了场线的连接性。有人认为，等离子体湍流是高能等离子体环境中通过波粒相互作用产生耗散的原因。等离子体湍流也可能导致高能粒子的产生。然而，湍流、耗散和等离子体加速的产生机制仍未解决。.本研究通过全动力学模拟研究了重联电流层湍流的产生机制及其对磁场耗散和电子加速的影响。在研究中，我们特别关注两点。第一个是欧姆定律的宏观描述，它可以导致湍流层中的磁耗散，旨在应用于等离子体流体方程。第二个是在带有强烈湍流的磁岛中的电子加热。.我们在3D和2D系统中执行电磁粒子的PIC模拟。仿真代码采用自适应网格细化，这能使用可接受的计算机资源进行更大规模的仿真。三维模拟表明，重联电流层在流动剪切不稳定性的影响下是不稳定的，这会导致强烈的电磁湍流，从而导致磁耗散。我们发现，离子对湍流几乎没有反应，这表明湍流不会导致电子和离子之间的动量交换，从而产生电阻率。相反，耗散主要来自于电流层中电子动量传输相关的粘度。结果表明，我们可以利用欧姆定律中的电阻率来驱动磁重联，对流体方程进行基本修正。.通过比较3D和2D模拟的结果，我们还发现，通过电磁湍流产生的非理想电场在磁岛中有效地加速了3D中的电子。高能电子被湍流有效地散射，导致强烈的电子加热。磁岛中巨大的非理想磁场导致强烈的磁扩散和耗散，这与最近在地球磁层的卫星观测结果一致。结果表明，三维效应对磁岛中的电子加速至关重要。