非对称磁重联的霍尔效应及其机理研究

A prominent signals of collisionless magnetic reconnection is the “Hall effect”. In symmetric reconnection, Hall fields often exhibit quadrupolar pattern. In asymmetric reconnection, however, the pattern of Hall fields are more complicated. Previous observations and simulations indicate that Hall magnetic field are bipolar in asymmetric reconnection. Recent MMS spacecraft observations show that quarupolar Hall magnetic fields occur as well in asymmetric reconnection. These observations are of interest, indicating that Hall effect in asymmetric reconnection is not fully understood. We propose to theoretically study the structure of Hall fields in asymmetric reconnection. We analytically investigate the structure of bipolar and quarupolar Hall field from the kinetic Alfven eigenmode theory. The obtained analytic results will be compared with observation data.

非碰撞重联区的一个显著特征是霍尔信号。对称重联中，霍尔磁场是4极（quadrapolar）结构；但非对称重联中霍尔场结构更加复杂。以前的观测和模拟表明非对称重联的霍尔磁场为2极(bipolar)结构; 但最新的MMS卫星数据显示，非对称重联中也可以产生4极霍尔磁场。这些观测结果和疑问表明，非对称磁重联中的霍尔效应的机理还缺少充分的理解。本项目提议从理论上对非对称重联的霍尔场展开研究，从动力学阿尔芬本证模的理论解释出发，解析研究非对重联的2极和4极霍尔场结构，并和观测数据对比验证理论结果。

本项目对非对称磁场重联的霍尔效应, 离子出流加速,以及电子尺度的波粒相互作用进行了理论模型和观测研究. 1. 基于重联电流片边界层的动力学阿尔芬波（KAW）本征波模的理论解释，计算了非对称磁重联中霍尔信号的特征。创新点包括，1） 首次提出了非对称重联霍尔结构空间 分布的解析形式；2）解析结果表明，霍尔结构的不对称性质来源于阿尔芬速度空间不对 称性分布。 3）双极不对称霍尔结构对应于n=0的KAW本证波模，四极不对称霍尔结构对 应于n=1的KAW本证波模。.2. 从动理学层面 研究了无碰撞磁场重联的出流离子加速机制[Dai, Wang and Lavraud，2021APJ]。研 究提出理论模型首次发现：无碰撞磁场重联的霍尔电场在离子尺度快速加速离子，继而 通过围绕磁力线的回旋运动扭转离子并增强离子的加速，此过程对离子的速度分布函数 造成不对称扭曲，并进而在离子流体的压强张量上留下印记，形成压强张量非对角项的 双极分布。这一离子加速的动理学效应可以自洽反馈地提供快速重联所需要的离子尺度 的重联电场和重联率。理论模型计算得到了离子分布函数和压强张量非对角项的预期特 征，在MMS卫星观测数据中得到了直接验证。这一理论模型为理解磁场重联的快速重联率 以及主要能量转换渠道提供了新思路。