引导场磁重联中的电子加速

发布时间：2017-12-15 17:22

  本文关键词：引导场磁重联中的电子加速

  更多相关文章： 无碰撞磁重联 二维粒子模拟 三维混合模拟 电子扩散区 引导场重联绝热理论 电子加速 动力学 Alfven波

【摘要】：磁重联是空间等离子体中的重要物理过程。储存在磁场中的自由能通过重联过程快速释放,从而加速和加热等离子体。本文重在讨论引导场重联中的电子加速过程,利用2D全粒子计算机模拟方法(PIC)与3D磁层顶混合模拟方法,得到以下结果:1.电子在多X点引导场重联中的加速过程磁岛之间的相互作用一直以来被认为在电子加速的过程中占据着重要地位。本文讨论了引导场重联中电子的加速过程。由于在足够强的引导重联中,电子依然是磁化的,可以使用绝热理论分析电子在重联中的平行电场加速,费米加速与betatron加速。结果显示随着重联的进行,模拟区域形成两个主磁岛。电子既可以在重联X点附近被平行电场加速也可以在磁岛的收缩端被费米机制加速。接下来两个磁岛合并成一个大磁岛,电子可以在合并点附近被平行电场加速。在磁通量堆积区前缘,betatron机制也可以加速电子。最后当两个主磁岛合并成一个单一的大磁岛以后,电子可以进一步在收缩的大磁岛的两个收缩端获得费米加速。随着引导场的增强,费米与betatron机制对电子的加速越来越不重要。当引导场很强时,平行电场是唯一对电子有效的加速机制。2.电子扩散区中电子的压力梯度项的形成过程通过2D的PIC模拟方法得出反平行重联电子扩散区中重联电场主要由电子的压力张量的空间梯度来平衡。通过追踪典型电子的轨迹可以计算电子在重联X点附近的电子压力梯度。计算结果发现电子的压力梯度正好与重联电场相等。这说明在电子扩散区,电子在重联X点附近磁场反转区域的微观运动是平衡重联电场的原因。这样就从微物理的角度定量地而不仅仅是从图像上解释了电子压力梯度的形成机制及其能够平衡重联电场的原因。3.电子在次级磁岛中的加速过程在重联拉长的电子电流片中可能会产生次级磁岛。通过对引导场重联中产生的次级磁岛中电子加速过程的模拟发现,在磁岛的形成阶段,电子可以被重联X点附近的平行电场加速:在次级磁岛与主磁岛的合并阶段,电子同时可以被平行电场机制与费米机制加速。与主磁岛不同的是,次级磁岛核心区的功率密度高于边缘区,这导致高能电子聚集在次级磁岛的核心区,而不像主磁岛中的高能电子分布在磁岛的边缘。随着引导场的增加,费米与betatron机制对于电子加速越来越不重要。4.磁层顶重联区域中的动力学Alfven波Alfven波是磁重联中的重要组成部分。考虑了离子的动力学效应的动力学Alfve如波中,在时变电场的作用下离子的极化漂移引起了在离子回旋尺度离子与电子的电荷分离,并导致出现几乎沿着磁场分布的条状平行电流。通过使用3D日侧磁层的混合模拟,对磁层顶重联过程中的扰动磁场与扰动电场的分析发现满足Walen关系,并且在扰动磁场的分布区域伴随有平行电场。通过对平行电场与垂直电场的诊断发现满足动力学Alfven波的极化关系。亦即在磁层顶重联区域存在动力学Alfven波。动力学Alfven波可以携带平行能流沿着背景磁场方向注入地球磁层,关系到地球磁层中的粒子加热以及极光的产生。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P353

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