地球磁尾通量管研究

Magnetic reconnection, as one important energy dissipation process in the astrophysical, space and laboratory plasmas, can transfer magnetic energy into plasma thermal and kinetic energy in short time period. Flux rope has very close relationship to magnetic reconnection. It is believed that flux rope can affect the reconnection rate, control microscale physical process of magnetic reconnection, and accelerate the electrons. However, there are still lots of unsolved issues remain, especially, such as the generation mechanism of core field inside flux ropes, how to distinguish different types of flux ropes in space, the details of coalescence process of flux ropes, the evolution and fate of earthward flux ropes, how to accelerate the electrons inside different types of flux ropes. Based on the high resolution data from MMS satellite, we will systematacially investigate the properties and evolution of the flux ropes, and the related electron accelerations in the Earth’s magnetotail. The results of this project are supposed to give the full image of the flux ropes and deeply understanding the relationship between flux rope and magnetic reconnection, to be helpful to resolve the energy dissipation during magnetic reconnection and the origin of energetic electrons in the Earth’s magnetosphere.

磁场重联可以在短时间将磁场能量转化为等离子体的动能和热能，加热和加速粒子，它普遍存在于天体、空间和实验室等离子体中。通量管与磁场重联有着紧密的联系，可以影响重联率，控制重联的微观过程，加速电子等。虽然先前对通量管有许多的研究，但在地球磁尾中通量管的性质、演化和对电子加速机制等方面仍有许多未解之谜，比如通量管核心场的形成机制、如何辨别卫星观测到的通量管类型、多通量管合并的详细物理过程、地向运动通量管的演化过程及结局，不同通量管中高能电子通过什么样的加速机制获得能量。本项目拟利用MMS卫星高精度的观测数据，系统地研究地球磁尾中通量管的性质、演化过程及相关的电子加速等，揭示通量管的完整物理图像和深入理解通量管与磁场重联的联系。研究成果将有助于加深磁场重联过程中能量释放机制的理解，以及有益于揭示地球磁层中高能电子的起源。

磁通量管是三维的磁螺旋结构，是磁场重联的重要产物之一。通量管可以由单x线重联产生，也可以由多x线重联产生。通量管在磁场重联中起着重要的作用，比如耗散能量，加速电子等等。本项目执行期间，基于卫星观测数据和计算机数值模拟，围绕通量管、磁场重联核心区域-电子扩散区、重联的相关结构等科学问题开展研究。首次报道了在地球磁尾中具有极强能量耗散的通量管；对磁层顶通量管的哨声波进行了详细分析；获得了在主次通量绳内的电流，能量转换和电子加速的统计特性。首次报道了在由磁场重联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；提出了外电子扩散负能量转换的形成机制，对磁场重联核心区域的能量传递过程提供了新的理解；发现磁场重联入流区靠近内电子扩散区的边界存在着负的能量转换，负能量转换是由广义欧姆定律中的电子压力梯度项所贡献的，我们的研究发现了磁场重联中的一个全新的过程，并对解释磁场重联能量的转化开辟了新的方向。我们报道了在地球磁尾中高速电子喷流的统计特性，发现了偶极化锋面处存在亚离子尺度的电子涡旋，发现了偶极化锋面前面的磁场降低区域存在高频静电波。本项目的研究共产生了38篇学术论文，这些研究有助于我们理解磁尾的通量管对能量耗散电子加速的作用，以及对磁场重联的核心区域的电子动力学过程。