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地球与行星物理

ISSN  2096-3955

CN  10-1502/P

黄宏韬,於益群等:磁重联分形线区域的离子动力学

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磁重联分形线区域的离子动力学

黄宏韬,於益群等

北京航空航天大学空间与环境学院

磁重联是一种发生在空间等离子体中和实验室等离子体中的基本物理过程,在日地空间中很多爆发性现象的发生都被认为与磁重联有关,如太阳耀斑,日冕物质抛射等。磁重联的过程中常常伴随着大量的能量释放,对带电粒子进行加速和加热,进而产生高能粒子,因而引起了科学家们的广泛研究。然而,这些高能粒子的产生机制一直是一个亟待解决的科学问题。

科学家们把磁重联中已发生重联的区域与还未发生重联区域的分界线叫做分形线区域,如图1所示。这个区域的显著特征就是其存在着很强的霍尔电场和四极霍尔磁场结构。科学家们通过对卫星观测数据进行分析,发现在磁重联的分形线区域存在着复杂的精细结构,例如磁通量绳等,同时这个区域内还存在着丰富的波动现象, 这表明分形线区域在磁重联动力学过程中扮演着举足轻重的角色。那么粒子在经过分形线区域的时候,会经历怎么样的加速过程?为了解决这一问题,本研究利用全粒子模拟(particle-in-cell)的手段对对称磁重联中的分形线区域的离子运动过程展开了研究。


图1. 地球磁尾磁重联分形线区域的示意图,以及分形线区域在全粒子模拟中的形态。

本研究首先选取了磁重联发展到稳定时刻的一个典型的分形线区域,再对其上的离子分布函数情况进行分析。图2展示的是分形线上不同位置的离子分布函数,可以看出越靠近磁重联X线的位置,离子的分布函数越精细复杂。另外,本研究还选取了分形线上一个固定的位置,展示了在磁重联的不同阶段此位置上的离子分布。结果表明离子初始服从麦克斯韦分布,进而在平行方向演化出来了两簇粒子群,同时在垂直方向上也分裂成了两簇粒子群(图3第二列)。由图2和图3的对比显示,离子分布的时间演化和空间演化中都出现了这样的四簇粒子群,表明这样的分布形态是磁重联分形线区域离子的一种典型分布。


图2. 在磁重联发展到稳定状态的时刻,分形线区域离子分布函数的空间演化。


图3. 在磁重联的不同阶段,选取分形线区域一个固定位置上的离子分布函数的时间演化。

本研究着重对这四簇粒子群进行了分析,在每簇粒子群中都随机选取了一部分单个粒子进行标记并回溯其轨迹。如图4所示,形成这四簇粒子群的粒子初始时刻分别来源于不同的区域,有些粒子从重联的入流区经历了重联的过程后再进入分形线区域,有些粒子则从未发生重联的区域直接进入分形线区域。另外,由于分形线附近由不同的电场做功占主导,在分形线上主要由霍尔电场对离子做功占主导,在分形线与电流片中间的区域由感生电场对离子做功占主导。因此,这些粒子经过不同的轨迹到达分形线区域的过程中所经受的加速过程也不一样,最终形成了不同能量的四簇粒子群分布。


图4.分形线上离子所形成的典型分布中四簇粒子群各自的来源及轨迹。

本研究对这些单个粒子的能量随时间的变化进行分析后(图5),发现这四簇粒子群在经过分形线区域时都会受到分形线上的霍尔电场加速获得能量,除此之外,有些粒子在经过重联区的时候获得了重联电场的持续加速,形成了能量最高的粒子群。而有些粒子从未发生重联的区域直接进入分形线区域后,被分形线区域与电流片中间的感生电场减速后再回到分形线区域,形成了能量最低的粒子群。


图5.分形线上离子所形成的典型分布中四簇粒子群的能量及不同电场分量做功情况随时间的演化。

科学家们通过磁重联等离子体实验和计算机数值模拟发现,在磁重联中大约有一半的磁能被转化为粒子的能量,其中离子获得的能量大约是电子获得能量的两倍,研究磁重联中的粒子动力学对理解这类高能粒子的产生机制具有重要的意义。本研究通过对磁重联分形线区域上的离子运动过程进行分析,揭示了分形线区域典型的离子分布特征以及加速机制。但需要注意的是,由于计算机处理能力的限制,本研究在进行数值模拟的时候采取了一些理想化条件和假设,例如假设了离子与电子质量比为100,也没有考虑三维情况下可能出现的波动和不稳定性等,这些都有待于将来进一步的探讨。

论文链接:http://doi.org/10.26464/epp2021019

Huang, H. T., Yu, Y. Q., Cao, J. B., Dai, L. and Wang, R. S. (2021). On the ion distributions at the separatrices during symmetric magnetic reconnection. Earth Planet. Phys., 5(2), 205–217.

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