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无力场电流片中的磁重联研究

无力场电流片中的磁重联研究

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作者：周福顺中国科学技术大学

学位级别：硕士

在空间和实验室等离子体中,磁场重联起着至关重要的作用——它可以用来解释众多爆发性的现象,比如太阳耀斑,地球磁层亚爆以及实验室聚变等。自1946年Giovanelli R. G提出磁场重联(Magnetic reconnection)这个概念以来,人们对磁场重联进... 详细信息

在空间和实验室等离子体中,磁场重联起着至关重要的作用——它可以用来解释众多爆发性的现象,比如太阳耀斑,地球磁层亚爆以及实验室聚变等。自1946年Giovanelli R. G提出磁场重联(Magnetic reconnection)这个概念以来,人们对磁场重联进行了大量的模拟、观测和实验上的研究。本文利用二维PIC模拟研究了初态为无力场的重联中离子扩散区和磁岛的演化过程,并将模拟结果与Harris电流片中的无力场重联和引导场重联中的情况进行了对比。1.无力场重联中的扩散区结构通过模拟发现,无力场重联中离子扩散区的演化主要可以分成两个阶段。在第一阶段,电子沿着一对分离线向X点靠近,被重联电场加速之后,沿着另一对分离线向外流出,而电子密度空穴主要分布在电子入流的这条分离线上。由此产生的Hall电流使面外磁场在平面内呈现出扭曲的四极场位形。面外磁场在平面内的这种位形分布与Harris电流片中存在初始引导场下的重联情况是类似。在第二个阶段,电子沿着分离线向X点靠近,并且会被X点附近的重联电场加速,之后电子沿着分离线内侧的磁力线流出,从而使得电子密度空穴沿着两对分离线对称分布。由此产生的平面电流使面外磁场在离子扩散区中呈现出典型的四极场位形。面外磁场和电场E-的这种位形分布与Harris电流片中反平行重联中的情况一样。2.无力场重联中的磁岛结构通过模拟发现,无力场重联中的磁岛结构和初始条件为Harris电流片中引导场重联下的磁岛结构有所不同。在引导场重联中,面外磁场在磁岛边缘增强,中央凹陷,其分布类似于“火山口”;电子密度在磁岛中央呈现出增强的位形。而在无力场重联中,面外磁场在磁岛边缘部分形成四极场位形,在磁岛中央呈现出增强的分布;电子密度在磁岛边缘增强,中央凹陷。这是因为在无力场重联中,离子和电子在磁岛末端被加速之后进入磁岛之后均环绕着磁岛边缘运动,呈环状分布。而在磁岛外围,磁岛左右两端的电子在X点加速之后分别沿着分离线内侧的磁力线远离X点,围绕着磁岛外围运动。电子在磁岛区域的这种运动分布使得电子密度在磁岛中呈环状结构。同时,电子与离子的这种运动系统使得面外磁场在磁岛边缘呈现出四极磁场位形,在磁岛中央呈现出增强的分布。

关键词：磁场重联扩散区结构磁岛结构无力场重联 Harris电流片

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