磁重联与等离子体波动

磁场重联与等离子体波动之间存在显著的联系.其中准静态波动、激波和动力学阿尔芬波的本征模是磁重联结构的重要组成部分.而其它的高频波动,不仅能吸收粒子的自由能,还可以导致粒子的加热和反常电阻的产生.这些多尺度的波动过程揭示了磁重联中能量转换的多尺度性质.本文探讨了地球磁层磁重联过程中的各种等离子体波动,涵盖了动力学阿尔芬波、低混杂波、哨声波、静电孤波、离子声波以及电子尺度的高频静电波,并分析了它们在磁重联中的特性和作用.近期的研究成果表明,动力学阿尔芬波（kinetic Alfven wave, KAW）能够描述磁重联区域的微观结构,其中包括霍尔磁场、霍尔电场、平行电场、霍尔电流以及场向电流.在这一过程中,霍尔电场作用于离子,有助于提高重联速率.低混杂波主要在电流片的密度梯度较大处被激发,并对电子进行平行加热.而哨声波是由朗道共振和回旋共振机制驱动的.据当前研究所示,低混杂波和哨声波对于重联过程中的反常电阻效应的影响是次要的.静电孤波多在磁重联分界线区域出现,其对等离子体的加热效应仍需进一步研究.与此同时,关于高频静电波（例如高混杂波和电子伯恩斯坦波）的研究重点在于磁重联的扩散区,这些波被...     

磁岛合并研究

本文采用二维全粒子模拟来研究无碰撞等离子体中的磁岛合并过程.结果表明,磁岛合并分为两个阶段,在第一个阶段,两个磁岛因同向电流丝之间的吸引力而缓慢地相互靠近,在这个过程中,合并线附近的电子被面外电场加速,形成薄电流片,同时电流片两侧形成磁场堆积.第二个阶段为快速重联阶段,合并线附近的电磁场结构和以Harris电流片为初态的重联扩散区的电磁场结构很相似,其中最显著的特点为面外磁场的四极型结构.     

地球磁层顶磁场重联的动力学过程

用三维可压缩MHD数值模拟研究了在磁场重联过程中电子压力梯度项的效应研究结果发现在较高等离子体β,较小离子惯性尺度条件下,广义欧姆定理中压力梯度项在重联过程的作用不可忽略.在磁重联过程中,压力梯度项虽然没有明显改变磁场拓扑结构和重联速度,但它使电子和离子速度明显增大.由于在离子惯性尺度下,离子和电子运动解耦,电子是电流的主要载流子,所以场向电流也增大,并导致核心磁场明显增大.考虑到场向电流是磁层电离层耦合的一个重要因素,所以电子压力梯度项的引入加强了行星际磁场南向期间磁层电离层的耦合.电子压力梯度项还在重联区激发了波动,该波动可向重联区外传播.     

密度非对称的二维无碰撞磁场重联

使用二维粒子模拟（PIC）的方法研究了在电流片两侧具有不同温度或密度情况下的无碰撞磁场重联过程.在初始等离子体密度非对称的情况下,发现重联区等离子体流场结构、电磁场结构以及重联过程与对称情况下的结果有明显不同.通过对电流片两侧温度比取不同的参数T_m/T_s=1,2,5进行模拟(其中T_m和T_s分别代表磁层侧和磁鞘侧的温度),结果分析发现,(1)在密度非对称系统中,出流区电子沿着分离面出现一个整体的从高密度区向低密度区的流动,并围绕磁岛形成一个电流环;(2)在高温低密度一侧,在重联过程中,分离面两侧将出现很强的电荷分离并产生一个基本垂直于分离面的强度较大的电场E_z,其幅度和空间尺度与温度梯度近似地成线性正比和反比关系.在初始电流片两侧温度之比取T_m/T_s=5的情况下,E_z的幅度将达到0.71,其空间尺度与局地电子惯性长度d_e同一量级,这一结果与观测相吻合;(3)重联率随着温度梯度增大而下降.     

引力场中磁场重联的数值研究（Ⅱ）磁力线足点的剪切运动

本文基于二维三分量可压缩磁流体动力学模拟，数值研究由于磁力线足点在光球层的剪切运动引起日冕电流片中的磁场重联过程。结果表明，磁力线足点的剪切运动作为引起强迫磁场重联的一种触发机制，将加速磁场重联的发展和磁岛的合并过程。结合不稳定性导致等离子体急剧加速，在β_∞＝０．１的情况下其加速度达到０．３４ν_Ａ∞／τＡ，等离子体的最大下落速度可达１．９０ν_Ａ∞，大于纯电阻撕裂模情况。还讨论了β_∞值对这种磁场重联过程的影响。β_∞值越小，磁场重联和磁岛合并过程发展得越快。     

地球磁层顶湍动重联的数值模拟

用二维磁流体力学数值模拟研究了磁层顶的磁场湍动重联．提出了一个新的磁场湍动重联模型．数值模拟表明，如果磁层顶是一个开放系统并同时存在磁场剪切和流场剪切，当雷诺数和磁雷诺数超过某临界数值时，磁场重联具有很强的湍动特性，可产生许多不同尺度的磁岛和涡旋结构．随着雷诺数和磁雷诺数的增大和减小，大尺度结构能破碎成中小尺度结构，小尺度结构也能合并成大中尺度结构．湍动重联是涡旋诱发重联在一定条件下的过渡．依据本文的模拟结果，我们预言：磁层预可发生准定常重联、瞬时局地重联和湍动重联等多种重联过程；大中小不同尺度的结构都可以存在于磁层顶；湍动重联及其所产生的中小尺度结构在太阳风－磁层的能量、动量和质量耦合过程中可起重要作用．     

多层电流片中撕裂模不稳定性的数值研究

应用二维磁流体动力学模拟方法数值研究了三层电流片中电阻撕裂模不稳定性的特征及磁场重联过程．结果表明，这是一种复杂的非稳态磁场重联．在初期阶段，三个电流片中分别由撕裂模不稳定性引起磁场重联，形成薄而长的磁岛．随着撕裂模不稳定性的非线性发展，每个磁岛的宽度都逐步增大，以至导致新的磁场重联发生．同时，三个电流片的强度都逐渐减弱，且原中心反向电流区最终消失．部分磁能不断地转化为等离子体的热能和动能，引起等离子体的加热和加速．多层电流片中撕裂模不稳定性引起的自发重联，可能对太阳耀斑、日冕加热、太阳风与磁层耦合等有重要影响．     

K-H不稳定性在多电流片系统磁场重联中的效应

等离子体系统中存在两个或多个电流片时，电流片中发生的不稳定性可能会相互作用．行星际磁场北向时，背阳面碰层顶电流片与磁尾等离子体片之间可能发生相互作用，高纬边界层强烈的流场剪切可能促进磁场重联，产生磁层亚暴．本文运用二维可压缩磁流体模拟研究具有强流场剪切的多个电流片系统中磁场重联的演化．结果表明，Kelvin－Helmholtz不稳定性使多电流片系统的磁场重联过程明显加快；相邻电流片之间的距离越近，两者相互作用越强，重联增长率越大；在三电流片系统中，超Alfven速度强流场导致外侧两个电流片中出现强烈的磁场重联，并引发中心电流片的磁场重联．行星际磁场北向时，也可能发生磁层亚暴．     

磁通量浮现驱动磁场重联的数值研究

应用二维时变可压缩磁流体动力学数值模拟,研究了双极－单极磁场中由于磁通量浮现驱动的磁场重联过程．结果表明,双极场与单极场间磁力线的重联形成上升的冷而密的等离子体团,磁场演变成鞭状结构．向上运动的等离子体团到达其最大高度后将回落和弥散.等离子体团最大上升速度达０．１４ＶＡ,等离子体最大上升速度达０．２７ＶＡ,ＶＡ为下边界处的Ａｌｆｖｅｎ速度．随着磁通量浮现幅度的增大,等离子体上升速度增加,重联过程发展得较快．背景等离子体β１值（β１为等离子体压力与磁压之比）越小,等离子体团中密度增量越大．磁Ｌｕｎｄｑｕｉｓｔ数Ｓ在１０３－１０６之间的改变对等离子体的速度和密度增量影响并不明显．与电阻撕裂模不稳定性引起的自发重联相比,磁通量浮现会更有效地驱动双极－单极场中的磁场重联过程,寻致日冕Ｈα冲浪和Ｘ射线喷流的形成．     

磁尾地向传播等离子体团的模拟研究

卫星观测证实了磁尾等离子体团与亚暴活动的相关性,除了具有北-南双极特征的尾向传播等离子体团外,还发现地向传播等离子体团,它们表现为南-北双极中性片事件和南-北双极瓣区讯号. 资料分析表明:南-北双极讯号的出现几率远低于北-南双极讯号,并且南-北双极事件主要发生于行星际磁场北向和地磁宁静条件,它们往往与小的孤立的地磁亚暴相关. 本文根据地磁宁静时期(IMF Bz北向且By≥Bz)越尾电场Ey分量的分布特点,对地向传播等离子体团作模拟研究. 两类算例的数值结果展示了通量绳磁结构及具有复杂闭合磁力线位形的等离子体团的基本特征,上述特征与尾向传播的等离子体团类似,与IMP 8卫星关于地向传播南-北中性片事件的观测特征大致相符. 数值结果还展示了与Schindler示意图相类似的磁力线拓扑位形,在一定程度上为南-北事件出现几率低作出了解释;并且揭示了磁尾中性片内越尾磁场分量By对磁重联发展的抑制作用. 本文的模拟研究说明:无论磁尾处于活动时期(IMF Bz为南向),还是宁静时期(IMF Bz为北向且By≥Bz),磁场重联均是磁尾等离子体加速和加热的通用机制.     

磁场重联耗散区内X线附近的强低混杂波的Geotail卫星观测研究

Geotail卫星于2003年5月15日在近地磁尾观测到磁场重联并穿越重联耗散区.卫星从尾向—南尾瓣一侧穿越磁场重联耗散区到地向—北尾瓣一侧的过程中,随着等离子体流反向,霍尔磁场(B_y) 被观测到.本文研究了该磁场重联耗散区内的低混杂波.观测结果显示,在磁场重联耗散区核心及其附近区域观测到在低混杂频率附近存在强烈的等离子体波动的增强,其传播方向主要垂直于背景磁场,该等离子体波动为低混杂波.前人的模拟结果认为,当磁场重联得到充分发展之前,低混杂波将消失.本文的观测结果充分说明,当磁场重联充分发展之后,在核心区域仍然存在增强的低混杂波,说明低混杂波贯穿磁场重联的整个发展过程.这种观测结果与计算机等离子体模拟的结果有所不同.本文的观测对低混杂波在磁场重联中的具体表现提供了新的观测证据并有可能修正前人的理论.     

地球远磁尾中的磁场重联——（Ⅱ）局部驱动力的影响

基于可压缩磁流体动力学模型,数值研究了由太阳风引起的局部驱动力对地球远磁尾中磁场重联的影响.结果表明,在远磁尾等离子体片中将发生强迫磁场重联,并形成磁岛和等离子体团.形成磁岛的特征时间很大于流动撕裂模不稳定性引起磁岛非线性饱和的特征时间.磁岛宽度随着磁Reynolds数S的增大而减小,随着尾瓣中等离子体压力与磁压之比值β_∞的降低而减小.认为太阳风引起的局部驱动力对地球远磁尾等离子体片中磁场重联的影响,可能不如流动撕裂模不稳定性那样显著.     

引力场中磁场重联的数值研究(IV)多层电流片

应用数值方法研究了日冕多层电流片中电阻撕裂模不稳定性的非线性演化和磁场重联过程,结果表明,计算区域顶部附近两侧电流片中的磁岛和等离子体团向上抛射,并携出大量的磁能和热能;中心电流片中的磁岛向下运动,逐渐演变成底部含有３个磁闭合区的冕流结构。进而在中心电流片中再次发生磁场重联,多次形成向下运动的小型磁岛,并与底部磁闭合区发生结合不稳定性。同时在磁闭合区中也有磁场重联发生,导致中心小磁闭合区的湮灭。初始电流片之间的距离趋近,上述演化过程越快。日冕多层电流片中的磁场重联过程可能对日冕物质抛射和日冕加热有着重要影响。     

引力场中磁场重联的数值研究（IV）多层电流片

应用数值方法研究了日冕多层电流片中电阻撕裂模不稳定性的非线性演化和磁场重联过程,结果表明,计算区域顶部附近两侧电流片中的磁岛和等离子体团向上抛射,并携出大量的磁能和热能;中心电流片中的磁岛向下运动,逐渐演变成底部含有３个磁闭合区的冕流结构。进而在中心电流片中再次发生磁场重联,多次形成向下运动的小型磁岛,并与底部磁闭合区发生结合不稳定性。同时在磁闭合区中也有磁场重联发生,导致中心小磁闭合区的湮灭。初始电流片之间的距离趋近,上述演化过程越快。日冕多层电流片中的磁场重联过程可能对日冕物质抛射和日冕加热有着重要影响。     

磁云内局部高温质子的可能加热机制:磁场重联

磁云具有较强的磁场和较低的质子温度和Beta值等显著特征,但是大量的观测资料显示在磁云内部往往存在局部高温现象.磁云内局部高温的质子可能是由于其内部磁场重联引起的.以1995年10月18~20日磁云事件为例,该事件前边界到19日11:00 UT之间有一个明显地温度突起区,从这个持续时间将近31小时的磁云内部认证出了8个磁场重联出流区,且大部分磁场重联事件发生在磁云内部质子温度凸起的部分.所以磁云内局部区域的质子被磁场重联加热的可能性很大.     

各向异性等离子体中撕裂模不稳定性和磁场重联的数值研究

应用二维三分量时变可压缩磁流体动力学模拟方法,数值研究了各向异性等离子体(P_⊥≠P_∥,T_⊥≠T_∥)中的撕裂模不稳定性和磁场重联过程.计算结果表明,在短暂的线性增长之后,不稳定性将趋于非线性饱和.线性增长率随着各向异性程度|P_⊥/P_∥|增强而增大,随着等离子体β值减小及磁场y分量By增大而降低.在强垂直各向异性(P_⊥>P_∥)的情况下,电流片中磁场重联形成的磁岛达到非线性饱和后,在X型点附近形成空腔结构;随着空腔的增大,磁岛逐渐变小,并最终消失.在P_⊥>P_∥情况下,仅在电流片中心区域可以激发火蛇管不稳定性,电流片中不能形成大型磁岛.     

亚暴膨胀相近磁尾位形不稳定性模型Ⅱ.中磁尾等离子体流与近磁尾亚暴活动的关系

在单流体MHD近似下，研究了有背景等离子体流存在时的近磁尾位形不稳定性．分析表明，等离子体地向流使两支漂移气球模DBM1和DBM2的不稳定增长更快．与卫星观测资料对比显示，诸多的观测观象与本模型的预言一致．这个结果对中磁尾磁场重联及高速等离子体流与亚暴膨胀相在近地触发之间的关系给出了新的解释．     

亚暴膨胀相近磁尾位形不稳定性模型Ⅱ.中磁尾等离子体流与近磁尾亚暴活动的关系

在单流体MHD近似下，研究了有背景等离子体流存在时的近磁尾位形不稳定性．分析表明，等离子体地向流使两支漂移气球模DBM1和DBM2的不稳定增长更快．与卫星观测资料对比显示，诸多的观测观象与本模型的预言一致．这个结果对中磁尾磁场重联及高速等离子体流与亚暴膨胀相在近地触发之间的关系给出了新的解释．     

引力场中磁场重联的数值研究（Ⅲ）等离子体团的形成和运动

应用解析和数值相结合的方法求得了含有闭场区、中性片和开场区的二维局域磁静力平衡日冕基态，进而在此基态下数值研究了由电阻撕裂模不稳定性引起的磁场重联过程．结果表明，在电流片长度远大于其半宽度的情况下，仍将发生具有两个Ｘ线的磁场重联，形成磁岛和高温高密度的等离子体团．等离子体团运动的方向取决于闭合区底部等离子体压力和磁压的比值β０．当β０较大时，等离子体团向下运动，引起结合不稳定性和磁岛的合并，等离子体团中的等离子体不断落入闭合磁场区两侧．当β０较小时，等离子体团向上运动，导致电流片中等离子体的喷发．结果还表明，磁张力的分布是决定等离子体团运动方向的主要因子．     

地球远磁尾中的磁场重联(Ⅰ)流动撕裂模不稳定性

本文数值研究了地球远磁尾中流动撕裂模不稳定性所引起的磁场重联过程.结果表明,在短暂的指数增长之后,当磁岛宽度接近等离子体片厚度时,流动撕裂模不稳定性的增长率大大降低,最终磁岛宽度趋于饱和.磁岛的饱和宽度随着磁Reynolds数S的增大而减小,随着剪切流动层宽度δV的增大而增加.在S→∞的情况下,流动撕裂模将退化为流动颈缩模,磁场重联不再发生.当飞船通过由流动撕裂模不稳定性所形成的磁岛时,即可观测到磁场B_z分量由北转南或由南转北的现象.