磁岛合并研究

发布时间：2020-05-18 08:39

【摘要】：磁场重联是空间等离子体中的一个基本过程,它提供了一种将磁场能量快速地转化为等离子体动能和热能的有效机制。因此,很多空间等离子体中的爆发现象都可以用磁场重联来解释,如地球磁层亚暴和太阳耀斑。高能电子的产生是无碰撞磁场重联的一个重要特征,高能电子的激发不仅发生在重联扩散区,收缩的磁岛以及磁偶极化锋面(dipolarization front,简称DF)区的加速也可以产生大量高能电子。近年来,磁岛合并也与电子加速有着紧密联系,观测发现,在磁岛合并过程中有些明显的电子加速过程,学者们模拟研究也发现当多个磁岛最终合并成为一个大磁岛的过程中,产生了大量高能电子。因此,研究磁岛合并的物理过程以及电子加速的机制就显得非常重要。本文采用二维PIC全粒子模拟以拉长电流片中的磁岛链为初态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,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,同时电流片附近形成磁场堆积。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。
【图文】：

示意图,磁场重联,过程,示意图

将磁场能量转化为等离子体动能和热能［１－４］。因此，很多空间等离子体中的爆发逡逑现象都可以用磁场重联来解释，比如太阳耀斑、地球磁层亚爆现象等［５－１１］。逡逑Ｓｗｅｅｔ－Ｐａｒｋｅｒ理论作为磁场重联的经典理论，因为重联速度太慢，没有办法很好逡逑解释空间等离子爆发现象［１２－１４］，然而，无碰撞磁重联理论提供了一种高效快速逡逑重联的途径，研宄表明，Ｈａｌｌ效应在无碰撞磁重联中起着决定性的作用［１５］。与逡逑此同时，在无碰撞磁重联过程中，其重联区域将出现多层次结构，将磁场重联区逡逑域分为电子扩散区域和等离子扩散区域［１６－２０］，在离子惯性尺度内和电子惯性尺逡逑度外的区域内，等离子体可以横穿磁力线，但是电子则被冻结在磁力线上。正是逡逑基于此，可以将离子体和电子进行分离，Ｈａｌｌ效应将决定磁场重联的速度，并逡逑且可以产生四极型磁场和Ｈａｌｌ电流，四极型磁场在面外，Ｈａｌｌ电流在面内，该逡逑区域就是离子的扩散区。相应的，在电子惯性尺度内，离子和电子都无法被冻结逡逑于磁力线，该区域就是电子的扩散区［２１－２４］。逡逑在下图１－１中，展示了一个重联Ｘ点（方向磁场交汇点）的磁场重联过程，逡逑图中电流片的位置用黑色虚线表示，，磁力线用黑色实线表示，以此来辨明图中不逡逑同时间点的磁场位形。黑色粗箭头代表是的等离子体的流动方向。逡逑

示意图,磁场重联,模型,示意图

由于磁场张力的作用，将会给电子和离子注入新的动能，使得其进一步种将磁能转化为等离子运动的热能以及动能的过程，就是磁场重联的过场重联经典模型逡逑Ｓｗｅｅｔ－Ｐａ邋ｒｋｅｒ邋模型逡逑场重联起始于磁流体力学的相关研宄，当时研宄的是简单稳态磁场重谓简单稳态磁场重联，就是等离子体流场和重联区域的磁场位形空间间因素的影响，Ｓｗｅｅｔ－Ｐａｒｋｅｒ模型就是最早的磁流体力学定量化磁场。这个模型通过太阳耀斑活动的相关资料，分析了两对太阳黑子相互中，所引起的位于太阳大气中等离子的位移过程，因为太阳黑子本身，磁场中带有附着在上面的太阳大气中的等离子体，致使黑子与黑子现一个很薄的电流片，从而造成太阳大气层里面的磁场拓扑位形改变Ｐａｒｋｅｒ磁场重联模型的示意图如下图１－２所示。逡逑Ｖ邋Ｖ邋％逦＾逡逑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P354

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