无碰撞磁场重联中磁岛结构及其电子动力学

Magnetic reconnection provides an mechanism on fast converting magnetic energy to plasma kinetic and thermal energies. The charged particles can be accelerated effectively during magnetic reconnection, while the energy conversion mainly occurs in the diffusion region. The mechanisms of energy dissipation and electron acceleration are relatively clear for single X-line magnetic reconnection. However, when the current sheet is sufficiently long, the multiple X-line reconnection occurs. A magnetic island forms between two neighbour X-lines. The magnetic islands can coalesce during the multiple X-line reconnection, meanwhile, electrons can be trapped in magnetic islands and get accelerated. Furthermore, recent observations from Cluster in the magnetotail indicate that the high-energy electron fluxes peak inside the magnetic islands. However, the effects of the magnetic islands and the coalescence of magnetic islands on energy dissipation and electron acceleration during multiple X-line reconnection require further investigations. Two-dimensional full particle simulations are used in this project to study the electron dynamical behaviors in generation, evolution, and coalescense processes of magnetic islands during the multiple X-line reconnection.

磁场重联提供了一种磁能快速转化为等离子体动能和热能的机制，它还可以有效的加速带电粒子，并且这些过程主要发生在重联扩散区。虽然目前对于单X线重联中的能量耗散和电子加速，已经研究得较为详细，然而当电流片足够长时，会发生多重X线重联，相邻的两根X线之间会产生一个磁岛，随着时间的演化，磁岛之间会相互合并，电子可以约束在磁岛内被更有效加速。此外，近来Cluster卫星在磁尾的观测表明，重联磁岛内部高能电子通量会有明显增加。然而，多重X线重联过程中磁岛结构及其合并对能量耗散以及电子加速的影响，都有待进一步研究。本项目拟采用二维的全粒子模拟方法，对多重X线重联过程中磁岛的产生、结构的演化及合并进行研究，揭示这些过程中的电子动力学行为。

磁场重联提供了一种磁能快速转化为等离子体动能和热能的机制，它还可以有效的加速带电粒子。过去的研究主要集中在重联扩散区。本项目使用全粒子模拟方法，以磁岛为研究对象，对磁岛的产生、结构的演化以及相关的电子加速过程进行了研究。研究发现，在不同条件下生成的磁岛，其内部电流体系与磁结构是不一样的。同时，在磁岛边缘，静电波很容易激发继而形成孤立结构。在逐渐增强的磁堆积区前沿，电子会受到回旋感应加速到较高能量。另外，研究还发现在出流高度剪切的电流片内，会形成涡旋结构，从而诱发次级磁岛的生成。这一系列的研究结果，为磁重联这个古老的基础研究课题，注入了一些新鲜的色彩；对于正确理解磁重联过程，有着重要的意义。