磁场重联区域的波动和波粒相互作用研究

Magnetic reconnection is one of the most important energy release and explosive phenomena in space plasmas and laboratory plasmas. The Earth’s magnetosphere provides an ideal natural place for in-situ investigating magnetic reconnection. We have made a lot of advances in the study of diffusion region structure, waves, and particle acceleration. However, there are still lots of unsolved issues remain, especially, such as the reconnection onset and energy dissipation. Recently, NASA has launched MMS spacecraft which are set to solve the problems of electron scale structures and electron dynamics during magnetic reconnection. MMS can provide very high resolution particles, waves and electromagnetic field data. In this project, we will focus on waves and wave-particle interactions in the magnetospheric magnetic reconnection region. Based on the MMS data, we will establish the distributions of these waves in the reconnection region; investigate the generation mechanism of these waves, and the processes of wave-particle interactions; reveal the roles of these waves on the reconnection onset and energy dissipation. The results of this project are supposed to be helpful in solving magnetic reconnection as the puzzle in space physics.

磁场重联是空间等离子体和实验室等离子体中最重要的能量释放机制和爆发性现象之一。地球磁层提供了一个实地研究磁重联的天然理想实验室。虽然过去对重联扩散区的结构、波动和粒子加速等方面的研究取得了很多进展，但仍有许多问题没有解决，特别是重联触发和能量耗散机制等问题。近期美国宇航局发射的MMS卫星主要研究目标是磁场重联电子尺度的结构和动力学过程，卫星能提供非常高精度的粒子、波动和电磁场等数据。本项目以地球磁层中磁场重联区域的波动和波粒相互作用为主要研究内容，拟通过MMS卫星的观测数据，建立磁场重联区域的波动分布特征；深入分析重联区域波动的激发机制，波与粒子的相互作用过程；揭示波动在重联触发和能量耗散过程中所起的作用。研究成果可为磁场重联这一空间物理重大难题的解决提供至关重要的参考依据。

磁场重联是空间等离子体和实验室等离子体中最重要的能量释放机制和爆发性现象之一。地球磁层提供了一个实地研究磁重联的天然理想实验室。虽然过去对重联扩散区的结构、波动和粒子加速等方面的研究取得了很多进展，但仍有许多问题没有解决，特别是重联触发和能量耗散机制等问题。本项目执行期间，基于卫星观测数据，围绕磁场重联核心区域-电子扩散区中的波动、磁尾电流片拍动、重联产生的电子喷流、重联的相关结构和湍动等科学问题开展研究。首次报道了重联区域哨声波的统计分布特性，给出了重联区哨声波的全局图像；首次报道了在由电子扩散区上混杂波的观测，并研究了该波动在重联过程中所起的作用；首次报道了在由次级重联产生的electron jet，并统计分析了地球磁尾中高速electron jet的统计特性；发现地球磁尾迄今为止最短周期的电流片拍动，该短周期拍动有间歇性重联激发，可以快速耗散磁尾的能量；在湍动磁鞘等离子体中观测到电子涡旋磁洞新类型相干结构的存在，并做了系统的统计分析，发现了湍动等离子体中电子哨声波与电子涡旋磁洞的耦合过程，并系统研究了地球磁尾动力学尺度磁洞的特性和波粒相互作用；首次报道了在地球磁尾中具有极强耗散的通量管，对磁层顶通量管的哨声波进行了详细分析，提出了哨声波的新激发机制；首次探测到了新型的非线性磁声波，提出波波耦合的激发机制。本项目的研究共产生了23篇学术论文，这些研究成果可为磁场重联这一空间物理重大难题的解决提供至关重要的参考依据。