ESW在磁尾磁场重联耗散区分形线附近的观测特性及其作用

磁场重联是空间能量释放和转换的重要机制.静电孤立波(ESW)虽然在空间中有广泛观测,但在磁场重联附近少有直接观测,对它在磁场重联附近的特性了解甚少.通过Geotail卫星对一个磁场重联事件的观测,仔细分析了其边界层上观测到的静电孤立波的特性,并讨论了它对磁场重联的影响.研究表明,亚暴期间在磁尾发生磁场重联,重联区域的分形线附近观测到了大量的静电孤立波,其特性与在其他地方观测到的并没有显著差别,但具有更明显的非线性和孤立性的特征.它们对电子加速和能量耗散有促进作用,加速磁场重联的进程.     

IMF北向时磁层顶重联的模拟研究

本文基于自己开发的全球三维磁层模型,模拟研究了IMF(Interplanetary Magnetic Field)北向时磁层顶重联及磁尾结构.结果发现磁层顶附近存在两种典型的重联过程:一是高纬极尖区IMF与地球磁场的重联,这与空间观测证据和前人的模拟结果是一致的;二是重联后一端在太阳风中另一端与地球相连的磁力线在向磁尾运动中,会发生弯曲、拖曳,在磁尾晨昏侧低纬区域可与尾瓣开放磁力线满足重联条件而再次发生重联.我们认为前一重联会使磁尾等离子片产生与IMF时钟角方向相反的旋转;而后者可重新形成闭合磁力线,可能是LLBL(Low Latitude Boundary Layer)形成的重要原因.     

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...     

近地磁尾重联中哨声波和Hall磁场的Cluster观测

在2001～2003年Cluster飞船通过近地磁尾期间，共探测到14次重联事件，在这些事件中同时还观测到等离子体波活动.本文把14次事件分为三大类，其中：第I类包含了8次事件，它们是在等离子体片内先于重联事件观测到波活动，并且还同时观测到Hall磁场.经过分析判断，这类事件中观测到的波是右旋偏振的哨声波.第II类包含了2次事件，这类事件也观测到了Hall磁场和右旋偏振的哨声波.第Ⅲ类也包含了2次事件，这类事件只是普通的重联事件，没有观测到Hall磁场，但是波活动明显先于重联事件.在我们观测的14次事件中，比较强烈的哨声波和Hall 磁场是一一对应的，因此哨声波可能主要是在Hall磁场的四极结构区激发的.     

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.     

2008年1月5日磁层亚暴期间磁尾近地重联事件的THEMIS观测与分析

本文主要应用THEMIS卫星的磁场和等离子体流观测数据,分析了2008年1月5日08∶51~08∶57 UT亚暴膨胀相期间磁尾的一个近地重联事件.在亚暴膨胀相期间,地面的全天空成像仪清楚地记录到了极光的极向扩展,THEMIS的P5卫星在地球同步轨道附近观测到了磁场的偶极化现象.在亚暴膨胀相末期的08∶51~08∶57 UT期间,P3(X_GSM~-9.12R_E) 和P4 (X_GSM ~-9.40R_E) 同时观测到了一对方向相反的高速等离子体流.这对方向相反的高速等离子体流是由磁尾的重联现象所引起.重联的位置被估计位于X_GSM ~-9.12R_E 和X_GSM~-9.40R_E之间较小的空间范围内.并且,在重联位置的两侧,重联的Hall效应被P3和P4两颗卫星观测到.因此,这一磁尾重联事件发生在距离地球非常近的空间范围内.     

中磁尾重联触发亚暴的单事例分析

磁层亚暴的发生与近磁尾（约6～8 R_E）电流片中断和中磁尾（约20～30 R_E）磁场重联密切相关,而极光的极向扩展、电流片中断和磁尾重联的时序过程对于认识亚暴的触发机制至关重要. 本文利用位于中磁尾的CLUSTER卫星,同步轨道附近LANL-01、LANL-97卫星,近磁尾POLAR和 极区IMAGE卫星的观测,分析了单个亚暴事例.结果表明,在此事件中,中磁尾磁场重联起始比近尾电流片中断早3 min发生,电流片中断发生4 min后,IMAGE卫星观测到极光增亮,同时AE指数突然增大,亚暴膨胀相起始. 观测结果与亚暴中性线模型较为吻合.     

2005年8月24日磁暴主相期间亚暴过程的多卫星联合观测分析

本文根据OMNI、TC-2卫星、LANL系列卫星、Cluster星簇卫星(C1-C4)以及加拿大的8个中高纬地磁台站的观测数据,研究了2005年8月24日强磁暴(SYM-H_min~ -179 nT)主相期间的强亚暴(AL_min~ -4046 nT)事件特征.该强磁暴在大振幅(IMF B_{z min}~ -55.57 nT)、短持续时间(~90 min)的行星际磁场条件下产生,有明显的磁暴急始(SSC),强度较大且持续时间较短.发生在磁暴主相期间的亚暴发展的主要特征如下:亚暴增长相期间,C1-C4卫星先后穿越中心等离子体片;亚暴膨胀相触发后,在近地磁尾(X~-6R_E)可观测到磁场偶极化现象;等离子体无色散注入区在亚暴onset开始后迅速沿经向扩展,但被限制在有限的经度范围;磁纬60°附近,Pi2地磁脉动振幅超过了100 nT.膨胀相开始后,在中、高磁纬地磁台站可观测到负湾扰,近地磁尾可观测到Pi2空间脉动,中磁尾区域可观测到尾向流、磁重联以及O⁺/H⁺数密度比值在亚暴onset之后增大等现象.分析表明该强磁暴主相期间的强亚暴现象发生时序是自内向外:X~-6R_E处TC-2观测到磁场偶极化(~09:42:30 UT),同步轨道卫星LANL1994-084观测到等离子体无色散注入(~09:44:30 UT),X~-17.8R_E处C1观测到磁场重联(~09:45:30 UT),由此推断该亚暴事件很可能是近地磁尾不稳定性触发产生,其发生区域距离地球很近.     

近尾无碰撞多重X线重联的观测

利用Cluster星簇sc3卫星2001年10月1日09:46~09:50UT时段磁场和等离子数据,探测到近尾尾向传播的两个磁通量绳,时间间隔为26 s.通量绳结构的尾侧存在高速地向流,地侧有高速的尾向流.同时观测到了尾向流的重联X线源区和地向流的重联出流区,直接地观测到了近尾无碰撞多重X线重联.     

无碰撞磁场重联地面实验平台的研制与建设

中国科学技术大学无碰撞磁场重联实验平台(KRX)是以揭示无碰撞磁场重联的触发机制、对无碰撞磁场重联电子扩散区的结构及相关等离子体波动进行深入细致研究为目标而建设的大型等离子体装置,是开展空间环境基本物理过程地面实验模拟的综合性平台.装置主体为直线位形,真空室直径3 m,由多段拼接而成,整体呈胶囊型,内部采用2 m×1 m全球最大氧化物阴极源产生均匀的背景等离子体.装置外部环绕10组导向场磁线圈,内部由上下两块平行电流板通同向脉冲电流构建重联磁场位形,脉冲电源采用“H”桥结构实现了可控的变速率重联驱动.在装置四周共开设200多个真空窗口,能够通过探针阵列及太赫兹偏振干涉仪、激光诱导荧光等先进光学诊断系统对磁场重联过程开展全域、主动、高精度的测量.该平台是最新一代磁场重联实验平台,其重联区域尺寸达到10倍离子惯性长度,伦德奎斯特数S有望达到10⁵,为开展无碰撞磁场重联实验创造了良好条件,能够对磁场重联过程开展多尺度、全面细致的研究,是卫星观测和数值模拟研究重要补充.目前,实验平台已完成基础建设以及诊断等关键组件的研制,并在小型装置预研结果的基础上完善了针对多尺度、多磁...     

非稳态多重X线重联的类型与特征

为了进一步认识间歇性多重Ｘ线重联的特征，本文分析计算结果，发现入流自边界进入后向两侧发散，沿着ｘ轴（ｚ＝０）和出流边界（ｚ＝２），压强Ｐ和磁场Ｂ的分布形态表明这种非稳态重联属快模式扩张型．数值结果还表明，进入扩散区的入流马赫数Ｍ_ｉ与磁雷诺数Ｒｍ之间基本满足关系式Ｍ_ｉ≈１．５Ｒ_ｍ^－１／２─１．７５Ｒ_ｍ^－１／２，而且等离子体的加速与压强Ｐ_ｔ(Ｐ_ｔ     

On the longitudinal extent of magnetopause reconnection pulses

The open magnetosphere model of cusp ion injection, acceleration and precipitation is used to predict the dispersion characteristics for fully pulsed magnetic reconnection at a low-latitude magnetopause X-line. The resulting steps, as would be seen by a satellite moving meridionally and normal to the ionospheric projection of the X-line, are compared with those seen by satellites moving longitudinally, along the open/closed boundary. It is shown that two observed cases can be explained by similar magnetosheath and reconnection characteristics, and that the major differences between them are well explained by the different satellite paths through the events. Both cases were observed in association with poleward-moving transient events seen by ground-based radar, as also predicted by the theory. The results show that the reconnection is pulsed but strongly imply it cannot also be spatially patchy, in the sense of isolated X-lines which independently are intermittently active. Furthermore they show that the reconnection pulses responsible for the poleward-moving events and the cusp ion steps, must cover at least 3 h of magnetic local time, although propagation of the active reconnection region may mean that it does not extend this far at any one instant of time.     

引力场中磁场重联的数值研究──（Ⅰ）磁岛的形成和合并

数值研究了引力场中电阻撕裂模不稳定性所引起的磁场重联，结果表明，在电流片长度Ｌ＝１Ｈ、半宽度δ＝Ｈ／２４的情况下，电流片两端附近将出现两个Ｘ线的磁场重联，并形成磁岛和高温高密度的等离子体团．磁岛宽度随着时间而增长，在ｔ≈５５τ_Ａ时达到饱和，最大饱和岛宽约为４δ．同时从ｔ≈３７τ_Ａ开始，磁岛中心位置逐渐下降；在ｔ＝５７τ_Ａ时发生结合不稳定性，磁岛与底部附近的闭合磁场区合并，导致磁场湮灭和磁能的快速释放．另一方面，由于引力场和等离子体非均匀性的影响，顶部附近随时间而增长的等离子体外流速度达１．１４Ｖ_Ａ∞；磁岛中等离子体向下运动的最大速度达１．４１Ｖ_Ａ∞，且大于局地声速；在磁岛前方可形成快激波．这些结果可用于解释双带耀斑中后随耀斑环的形成、磁场湮灭和磁能释放、以及Ｄｏｐｐｌｅｒ速度图上观测到的红移现象．     

Kinematic reconnection at a magnetic null point: spine-aligned current

Magnetic reconnection at a three-dimensional null point is the natural extension of the familiar two-dimensional X-point reconnection. A model is set up here for reconnection at a spiral null point, by solving the kinematic, steady, resistive magnetohydrodynamic equations in its vicinity. A steady magnetic field is assumed, as well as the existence of a localised diffusion region surrounding the null point. Outside the diffusion region the plasma and magnetic field move ideally. Particular attention is focussed on the way that the magnetic flux changes its connections as a result of the reconnection. The resultant plasma flows are found to be rotational in nature, as is the change in connections of the magnetic field lines.     

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.     

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.     

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。