空间等离子体中电子相空间空洞的多维结构

在地球极区、磁尾、舷激波区域和太阳风中经常可观测到空间尺度在德拜长度量级的静电孤立结构，在沿着平行于背景磁场的切线方向其平行电场呈双极结构。理论和数值模拟结果表明，这种静电孤立结构和电子相空间中的空洞有关，即属于BGK（Bernstein-Greene-Kruskal）模。最近，关于电子相空间空洞的多维结构越来越受到人们的关注。观测结果表明，在沿着平行于背景磁场的切线方向，垂直电场在电子相空间空洞中呈单极结构。而理论研究表明，背景磁场的强度对电子相空间空洞的多维结构有着重要的影响，在电子相空间空洞中沿着平行于背景磁场的切线方向呈单极结构的垂直电场是相空间空洞中切向不稳定性和背景磁场的致稳作用两者平衡的结果。本项目拟结合自洽的粒子模拟和试验粒子方法研究不同参数条件下电子相空间空洞的多维结构及其非线性演化，相空间空洞中的切向不稳定性和静电哨声波的关系，以及这些结果和卫星观测资料之间的联系。

电子相空间空洞（电子空洞）是空间等离子体中的一种基本物理过程，它和无碰撞磁场重联及激波等其他物理过程有着密切的联系。最近的观测和理论研究都表明在多维电子空洞中，沿着平行于背景磁场的切线方向，除平行电场呈双极结构，还发现垂直电场呈单极结构。我们通过粒子模拟方法对二维的电子空洞的演化进行了研究，发现电子空洞的演化主要由切向不稳定性和背景磁场的致稳作用决定，切向不稳定性让其扭曲，而电子的回旋运动则倾向于让电子密度均匀。在弱磁化等离子体（电子回旋频率远小于等离子体频率）中，切向不稳定性主导着电子空洞的演化。伴随着电子空洞的扭曲，沿着磁场方向看去，电子空洞的垂直电场分量呈现双极结构。随着背景磁场的增强，电子空洞的演化越来越慢。垂直电场分量也会从双极结构演化为单极结构。此外当磁场足够强时，电子空洞可进而激发静电哨声波。此外，由于电子空洞中垂直电场的存在，会引起电子的漂移运动,引起电流,这种电流引起了电子空洞的规则的扰动磁场结构。在弱磁化等离子体中，平行背景磁场方向的扰动磁场有单极结构，而垂直背景磁场的扰动磁场有四极结构。在强磁化等离子体中，由于静电哨声波的存在，垂直背景磁场的扰动磁场分量也有条纹结构。