磁场重联中非对称条件和引导场影响霍尔效应的观测研究

作     者：唐斯尧 

作者单位：中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心) 

学位级别：硕士

导师姓名：张永存

授予年度：2022年

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

主      题：磁场重联 霍尔效应 非对称条件 引导场 

摘      要：磁场重联是诸多日地空间爆发性能量释放现象的关键机制,它通过改变磁场的拓扑结构,将磁场能量转化为粒子的动能和热能。磁场重联广泛存在于天体物理环境、地球空间环境和实验室等离子体环境中。大量的研究已经证明了霍尔效应是无碰撞磁场重联中的标志性过程,并且在非对称条件和引导场条件下,霍尔场和电子运动会表现出不同的形态。近地空间环境为磁场重联的研究提供了天然实验室,同时,星簇计划(Cluster)和磁层多尺度探测(the Magnetospheric Multiscale,MMS)等卫星计划为磁场重联的研究提供了高时间分辨率的就位观测数据,这使得霍尔效应能够得到充分的研究。近年来,非对称磁场重联的模拟结果显示非对称条件和引导场条件下存在六极霍尔磁场模式。重联过程随着时间的发展,该模式由四极霍尔磁场演化而来。这意味着霍尔场的模式以及霍尔效应区的电子运动会随着重联过程的发展而变化,而非保持固定的模式。为了探究非对称条件和引导场对霍尔效应的影响,本文筛选了与传统霍尔模式不同的磁场重联事件,在局地坐标系下针对霍尔场和电子出流特征进行了详细的分析;除此之外,本文还研究了不同粒子混合强度下的四极霍尔磁场的非对称性。研究结果如下:1.在日侧磁层顶磁场重联中,观测到了不同于传统霍尔磁场的磁鞘侧指向平面外的异常磁场扰动。六极霍尔磁场的模拟结果解释了该异常磁场模式,这为磁层磁场重联中的六极霍尔磁场模式提供了观测证据;同时,该异常磁场周围还存在与其对应的电子出流,该电子流为其形成提供了物理解释。2.在晨侧磁层顶磁场重联中,观测到了磁层侧分离线处的明显电子出流。这一支电子出流处,同时出现了磁层侧的指向平面外的异常磁场扰动。并且该电子出流的起始点位于磁层侧新的磁场的峰值处,这意味着该磁层侧的异常磁场扰动与电子出流密切相关。3.非对称的四极霍尔磁场随着混合强度增大而趋于对称。该研究将非对称的磁场重联演变分为了早期-中期-晚期三个阶段。在重联早期,霍尔磁场保持高度非对称性,磁鞘侧的霍尔磁场的峰值位于中性片处;在重联中期,霍尔磁场是非对称的,但由于霍尔效应区的等离子体密度非对称性急剧下降,所以磁鞘侧霍尔磁场的峰值仍留在磁鞘侧;在重联晚期,随着粒子不断发生混合,霍尔效应区的等离子体密度接近对称,所以磁层侧和磁鞘侧的霍尔磁场被中性片分开,并没有产生位置的偏移。本文研究结果显示,在重联的发展过程中,由于非对称条件和引导场的不同,霍尔效应可以具有不同的形态。这些研究结果提供了对磁场重联霍尔效应的新的理解,这可以为之后的研究提供新的思路。