无碰撞磁重联中电子动力学的理论和实验室研究

Magnetic reconnection is a process, where the magnetic field lines are spontaneously or forcedly broken and then reconnected in the plasma current sheet, and it provides a physical mechanism for fast conversion from magnetic energy to plasma bulk kinetic energy and thermal energy. Magnetic reconnection is considered to relate to many explosive phenomena in space plasma, such as substorm in the magnetotail and solar flare. The studies of GEM magnetic reconnection challenge have shown that the Hall effect due to the ion and electron decoupling in the ion diffusion region determines the structure and rate of the reconnection. However, a small initial perturbation are added in the studies of GEM magnetic reconnection challenge, which trigger the reconnection. The onset of the magnetic reconnection is ignored in the studies of GEM magnetic reconnection challenge. Recent studies have shown that the onset of collisionless magnetic reconnection is related to electron dynamics in the electron diffusion region, which may be extended and then unstable to secondary islands. We will use particle-in-cell simulations and laboratory experiments, as well as spacecraft data to study electron dynamics in the electron diffusion region of magnetic reconnection to reveal the physical mechanisms of the onset of magnetic reconnection and formation of secondary islands in the electron diffusion region. The process of electron acceleration in magnetic reconnection is also the scope of our research. The experiments on reconnection will be implemented on the linearly magnetized plasma device in our university.

磁重联是指等离子体电流片中磁力线自发或被强迫断开和重新联接的过程，它提供了一种将磁场能量快速转化为等离子体动能和热能的物理机制。磁重联和空间等离子体中的许多爆发现象，如磁层亚暴、太阳耀斑等，密切相关。GEM系列研究的结果表明，离子扩散区中由离子和电子的分离运动引起的Hall效应决定了无碰撞磁重联区的结构和重联速度的快慢。但是在GEM系列研究中，初始时刻有一人为加的小扰动，重联是由该小扰动触发的。这也意味着GEM系列研究没有考虑重联的初始触发机制。而最近的研究表明无碰撞磁重联的触发和电子扩散区内的电子动力学过程密切相关，电子扩散区还有可能被拉长并形成次级磁岛。本项目拟采用粒子模拟和实验室研究等手段，并结合卫星观测资料来研究磁重联中电子扩散区的电子动力学行为，揭示无碰撞磁重联的触发和电子扩散区中次级磁岛的形成机制，以及其中的电子加速过程。实验室研究拟在我校的线性磁化等离子体装置上进行。

磁场重联是指等离子体电流片中磁力线自发或被强迫断开和重新联接的过程，它提供了一种将磁场能量快速转化为等离子体动能和热能的物理机制。磁场重联和空间等离子体中的许多爆发现象，如磁层亚暴、太阳耀斑等，密切相关。最近的研究表明电子动力学在无碰撞磁场重联中起着重要的作用，我们通过粒子模拟，结合卫星观测资料和地面实验，研究了和无碰撞磁场重联中和电子动力学相关的一些物理过程。通过粒子模拟研究了无碰撞磁重联的出流区和大磁岛中通过电子剪切流产生的K-H不稳定性诱发的次级重联以及导致的电子加热和加速；提出了一个解释引导场重联X点附近由电子压力对角项主导的重联电场自增长的理论模型，并通过粒子模拟进行了验证；利用粒子模拟研究了无碰撞磁场重联导致的偶极化锋面处的电子的Betatron加速，并通过卫星观测资料证实电子除在X点附近加速外，还可在偶极化锋面处加速；利用卫星观测资料揭示了磁场重联扩散区内部小尺度磁岛间的相互作用，最终演化为湍流的过程，并通过粒子模拟研究了多重X线重联中产生磁岛并合并过程中的能量电子加速并形成幂律谱的过程；利用粒子模拟研究了高功率激光产生的等离子体中的重联过程，发现当产生的等离子体泡的挤压速度够大时，可有效加速电子并形成幂律谱；我们还改建了的线性等离子体装置，发展了先进的等离子体诊断系统，实现了磁场重联。此外，我们还通过粒子模拟研究了准平行无碰撞激波面涟漪结构的产生，以及这种涟漪结构对粒子加速和激波面重构的影响；通过卫星观测资料发现了地球辐射带中哨声波的谐波结构并提出了其形成机制。