空间等离子体中磁重联电子惯性区波动研究

Magnetic reconnection is a crucial physical process of triggering fast energy conversion, magnetic topology variation, and particle heating/acceleration in space environment, magnetic fusion plasmas, as well as laser-plasma laboratory simulation of astrophysical phoenomina. Therefore, study of magnetic reconnection plays an substantial role in space weather and space envirment investigations, magnetic fusion energy researches, as well as other areas such as topology and fluid field studies. ..MMS mission and recent experimental projects of ground laboratory devices such as FLARE and SPERF denote a new period of magnetic reconnection studies for dynamics in electron inertial region (EIR). In this program, combining with MMS data and results of ground experiments, we develop the theories and numerical simulation codes of Lower Hybrid Fluid (LH-Fluid) and Electron-in-Cell + Ion-Fluid (EIC-IF) models for electron dynamics in EIR, and study wave and particle processes of magnetic reconnection in space plasmas, for frontiers in space science and strategic necessities.

等离子体中的磁重联现象是引发日地空间环境、磁约束聚变装置、激光模拟天体物理过程实验中很多快速能量转换、磁场拓扑变化、以及粒子加速加热等重要现象的关键物理过程。因此，其研究对于空间天气与空间环境、磁约束聚变能源等关系国民经济和国家发展的重大科学问题，以及诸如拓扑理论、流场理论等基础科学问题都是十分重要的。..MMS科学卫星探测计划的实施和FLARE，SPERF的地面实验装置的建设标志着空间等离子体中磁重联现象的实验室与卫星观测研究正在进入探索电子惯性区动力学过程的新阶段。我们通过这一项目，结合实验及卫星观测，发展低混杂流体（LH-Fluid）及电子粒子-离子流体（EIC-IF）理论模型及数值模拟程序，研究空间等离子体磁重联电子惯性区的波动过程，为空间科学前沿研究和国家重大需求发展必要研究手段、做出相应贡献。

项目结合MMS、Cluster等国际空间科学研究计划及国家大科学工程“空间环境地面模拟装置”设计、建设和实验计划，开展了卫星观测数据支持下的空间等离子体物理研究，特别是电子惯性尺度物理过程及相对论磁重联的理论建模等；和“空间环境地面模拟装置”物理实验预研，包括辐射带物理国产模拟实验的物理设计及电磁波与等离子体相互作用等；进一步拓展了磁重联物理研究前沿，并为国家大科学工程“空间环境地面模拟装置”空间等离子体环境模拟与研究系统的实验运行进行了预研准备。主要成果包括：.（1）建立了离子作为流体背景、考虑电子动理学效应的，可应用于电子惯性尺度下电子动力学过程研究的理论与数值模拟模型，并开发了离子背景流体+基于Vlasov solver和PIC solver的电子回旋动理学模拟程序；并开发了基于MMS高精度数据的磁场重构程序；.（2）揭示了电子惯性尺度下捕获电子分布从低能级向高能级移动，引起一定能量区间的电子“粒子数反转”的电子非绝热加速机制；.（3）建立了适用于高能电子动力学和高能量密度物理条件下的相对论磁重联理论框架，利用Lorentz不变量得到Lorentz协变的磁重联率，并利用相对论理论得到了磁螺旋度守恒的Lorentz协变形式；.（4）我们利用DREX设计参数和物理实验设计，发现装置参数和实验参数能够在各种条件下激发出所需要研究的宽频带合声波，并可以在装置的实验参数下模拟卫星观测到的扫频现象；装置所模拟的辐射带偶极场约束在一定参数区间存在熵模或交换模不稳定性，有助于激发未来大科学装置实验所要研究的各种低频电磁波。