磁岛合并中的动力学研究

作     者：韩圣星 

作者单位：中国科学技术大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陆全明

授予年度：2021年

学科分类：07[理学] 070802[理学-空间物理学] 0708[理学-地球物理学] 

主      题：磁场重联 磁岛合并 引导场 电子加速 

摘      要：磁场重联是一种等离子体中快速的能量释放机制,通过磁场拓扑位形的改变快速释放大量磁能,加热加速电子。磁场重联与空间中许多爆发性现象有关,在其中起到了非常重要的作用,如太阳耀斑、地球磁场亚暴、日冕物质抛射等。磁岛合并是一类特殊的磁场重联:两个磁岛相互靠近并在磁岛边缘发生磁场重联,最后两个磁岛合并成为一个磁岛。本文通过二维PIC粒子模拟方法,研究了磁岛并过程。我们发现在初始磁岛的大小设置小于一定范围内,两个磁岛合并成为一个磁岛后并没有进入稳定状态。磁岛会在X方向上向外膨胀,磁岛中心附近Z方向上两侧的磁力线相互靠近并发生磁场重联,使得该磁岛分裂成两个新的小磁岛并且很快会再次发生合并成为一个磁岛。我们把这种磁岛合并后发生分裂又再次合并的过程分为三个阶段。同时外加了强引导场,可以利用引导中心理论来分析平行电场项、费米加速项、betatron加速项对电子加速的贡献。第一阶段是初次磁岛合并阶段,平行电场项在合并点附近做正功,在磁岛两端做负功,综合整个模拟平面内平行电场对电子做功为0,费米加速项合并点附近做负功而在磁岛收缩端做更强的正功,综合后对电子做正功。所以第一阶段内主要是费米项做正功,磁能转化为电子动能。第二阶段是磁岛分裂阶段,平行电场项在重联X点附近做正功而费米项在磁岛远离重联点外侧端做负功,这时平行电场做的正功约等于费米项做的负功,导致这一阶段内电子总动能基本保持不变,能量从磁能转化为电子动能又再转化为磁能。第三阶段是新磁岛再次合并阶段,此时主要过程与第一阶段相似,但磁岛合并更弱。整个阶段主要是费米项较弱地加速电子。