磁重联中电子幂律谱的形成机制

Magnetic reconnection is a fundamental physical process in space physics, which is closely related to many explosive phenomena. Electron acceleration during magnetic reconnection have been thoroughly studied. Electrons can be accelerated in the vicinity of the X line by the reconnection electric field during magnetic reconnection. They can also be accelerated in the contracting sites of magnetic island by Fermi mechanism, and the jet front by betatron mechanism. The power law spectra of energetic electrons can be formed during magnetic reconnection. Such kind of power law spectra are generally observed at reconnection sites by in-situ observations, as well as in the solar corona, where electron spectra are deduced. However, how power law spectra of energetic electrons is formed during magnetic reconnection is still in debate. In this program, we firstly perform particle-in-cell simulations of magnetic reconnection, compare the difference of acceleration processes between thermal electrons and non-thermal electrons. Then, by analyze the contributions of different acceleration mechanism to the formation of power law spectrum of the energetic electrons, we can conclude how power law spectra of energetic electrons is formed during magnetic reconnection.

磁重联是空间等离子体中的重要物理过程，其与空间中许多爆发现象相关。磁重联中电子的加速机制一直是人关心的问题。电子可以在重联区域获得重联电场的直接加速，也可以在出流区获得Fermi加速和betatron加速。重联中经过加速的电子能量分布可以形成幂律谱。电子幂律谱在卫星观测与数值模拟中都可以测得。人们对于重联中电子幂律谱的形成尚不清楚。本项目利用全粒子模拟方法研究重联中不同能段电子的加速过程。对比不同能段电子加速过程的区别以及高能电子的产生过程。从而认识到不同加速机制对重联中电子能谱的形成所起到的不同作用。最终给出磁重联中电子幂律谱是如何形成的。

作为空间等离子体中的重要物理过程，磁重联与空间中的许多爆发现象有关。储存在磁场中的能量通过重联过程突然和快速地释放，从而实现对等离子体中带电粒子的加速和加热。一直以来，磁重联中的电子加速是人们所关注的问题。电子可以在重联X线附近获得重联电场的直接加速，也可以在出流区获得费米加速和betatron加速。卫星观测与数值模拟的结果表明，重联中经过加速的电子能量分布可以形成幂律谱。利用二维全粒子模拟方法，我们研究了在有引导场的磁重联中，电子幂律谱的形成过程。研究发现：在磁岛形成阶段,电子主要受到平行电场加速,在磁岛合并阶段,电子同时受到平行电场加速与费米加速,与此同时,电子的能谱形成幂律谱.而在电子能谱中越高能段的电子会受到越有效的费米加速. 利用二维全粒子模拟方法，我们还研究了无引导场磁重联中电子的加速过程。研究结果表明：电子沿着重联磁拓扑位形分界线从入流区到重联X线的运动过程中，平行电场力与磁镜力同时对电子的入流做正功,使电子在进入X线之前获得加速.其中平行电场加速机制的贡献略强于磁镜力加速机制, 然而磁镜力的效果也不可忽略。在较大的离子惯性尺度上，我们利用三维全球混合模拟研究了在日侧磁层顶重联中产生的动力学阿尔芬波（KAW）. 模拟结果显示低纬磁重联产生的KAW携带坡印廷能流沿着磁场向高纬传播, 从极尖区注入地球磁层。我们认为能流的输运可以对地球南北两极的极光增亮有贡献。通过三维混合模拟，我们还发现在太阳风与地球磁层相互作用形成的准平行激波下游的磁鞘区域，存在尺度为离子惯性尺度的许多电流片。在这些电流片中存在磁重联以及重联形成的磁通量绳结构。在重联区域中，有着明显的能量耗散。