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重联率以及从离子耦合重联到唯电子重联的过渡过程

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重联率以及从离子耦合重联到唯电子重联的过渡过程

2023年中国地球科学联合学术年会

作者：关云丹陆全明卢三黄楷王荣生中国科学技术大学

标准的无碰撞重联中电子和离子出流都会形成,但最近有一种新的唯电子重联被观测发现,在这种磁场重联中离子出流没有被观测到,并且重联率在这种重联中远高于在标准的离子耦合重联中。通过使用二维的粒子模拟,我们发现在离子回旋半径远小... 详细信息

标准的无碰撞重联中电子和离子出流都会形成,但最近有一种新的唯电子重联被观测发现,在这种磁场重联中离子出流没有被观测到,并且重联率在这种重联中远高于在标准的离子耦合重联中。通过使用二维的粒子模拟,我们发现在离子回旋半径远小于模拟区域大小时,有离子出流形成的标准重联发生。随着离子回旋半径增大,离子的响应程度逐渐减弱并且重联率开始上升。当离子回旋半径增大到与模拟区域大小相当时,唯电子重联发生。因此,控制离子耦合重联到唯电子重联的过渡过程的关键参数即是离子回旋半径与模拟区域大小的比。我们进一步展示了,在唯电子重联中,随着初始电子电流片变薄,重联率与电子出流速度都会升高。

关键词：重联率回旋半径模拟区域

来源： cnki会议评论

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磁场重联中电子扩散区特性的研究

磁场重联中电子扩散区特性的研究

作者：田梓聪南昌大学

学位级别：硕士

磁场重联是等离子体中一种重要的能量转化机制,与日地空间环境中太阳耀斑、磁层亚暴等爆炸性的空间天气相关。电子扩散区在磁场重联中具有关键作用,其中电子的耗散机制控制着磁力线的断开和重新联接,电子的物理过程决定了磁场重联的开... 详细信息

磁场重联是等离子体中一种重要的能量转化机制,与日地空间环境中太阳耀斑、磁层亚暴等爆炸性的空间天气相关。电子扩散区在磁场重联中具有关键作用,其中电子的耗散机制控制着磁力线的断开和重新联接,电子的物理过程决定了磁场重联的开始和进行。随着磁层多尺度（MMS）卫星的成功运行,越来越多的电子扩散区在地球磁层顶,磁尾中被发现。磁场重联的重联率,电子扩散区中的结构演化,以及电子动理学过程得以被进一步研究。而关于导向场下内外电子扩散区的结构,电子动理学熵与重联进程的关联,是重要但尚未深入研究的问题。利用MMS卫星的高精度数据,我们对这几个方面进行探讨,并得到以下结果:1.我们报道了一个在地球日侧磁层顶中的内外电子扩散区同步观测的事件。内外电子扩散区在一个大导向场（～3.2B0）的磁场重联中被观察到,并且没有明显偏转。其中内电子扩散区以正能量转化（J·E'）为特征,外电子扩散区以负的J·E'为特征,其面外电场（EM）与内电子扩散区相反。MMS卫星组中的两颗卫星观测到内电子扩散区,而另两颗卫星则观测到外电子扩散区。此外,卫星组还观察到双向加速电子喷流,这表明两对卫星分别位于X线的两侧。得益于该事件MMS卫星独特的相对位置,我们对内电子扩散区的最大长度估算为～36de,重联率的下限为0.142±0.041。2.我们选取了三个具有代表性的地球磁尾磁场重联电子扩散区事件,并对这些事件的熵和电子分布的麦克斯韦性进行计算分析。我们发现在不同事件中,电子扩散区内和其两侧的电子分布的麦克斯韦性存在巨大差异,这种差异与卫星的穿越轨迹无关。此外,我们还计算了每个电子相对能量(dεrel/dt)和内能(dεint/dt)随时间的变化,与Cassak等人的模拟结果相吻合,但在观测中每个电子相对能量随时间的变化占据着更重要的地位。通过以上分析我们提出了通过电子分布的非麦克斯韦性判断磁场重联处于不同阶段的推测。即当电子扩散区两侧电子分布偏离麦克斯韦分布的程度与背景值一致且没有出现明显的电子温度各向异性时,该磁场重联事件处于重联的初期。在第一项工作中,我们展示了MMS卫星对内外电子扩散区的同时观测,其中外电子扩散区是首次在大导向场下被发现。得益于卫星穿越轨迹的特殊性,我们对内电子扩散区的最大长度和该事件重联率的下限进行估计,这为未来多卫星下电子扩散区的观测和重联率的估算提供了一个可行的模版。在第二项工作中,我们在观测中计算了每个电子相对能量随时间变化,并提出了电子分布函数的非麦克斯韦性与磁场重联时间演化相关的猜想,为观测中重联阶段的判断提供了新思路。这些观测结果对于理解磁场重联中电子扩散区的结构能量转化和重联的非线性演化具有较为重要的意义。

关键词：空间等离子体磁场重联电子扩散区重联率电子动理学熵

磁重联区X线上的电阻率梯度对磁重联过程的影响

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磁重联区X线上的电阻率梯度对磁重联过程的影响

作者：郑振南昌大学

学位级别：硕士

日地空间是对人类最重要的空间环境，在这个空间内的许多现象都和人类息息相关，这些现象的爆发大部分都和太阳有关。而在这些现象中，磁重联扮演着重要角色。磁重联是一种在空间等离子体物理和实验等离子体物理中都普遍存在的一种局... 详细信息

日地空间是对人类最重要的空间环境，在这个空间内的许多现象都和人类息息相关，这些现象的爆发大部分都和太阳有关。而在这些现象中，磁重联扮演着重要角色。磁重联是一种在空间等离子体物理和实验等离子体物理中都普遍存在的一种局域现象，是空间等离子体物理和实验等离子体物理的一项重要研究课题。磁重联的发生过程伴随着磁场结构的改变，蕴含其中的磁能被大量释放，并转化为等离子体的热能和动能，其中的离子和电子被加速，形成高速喷流。磁重联概念的提出已有50余年。在这50年的发展当中，它的理论不断完善和进步。但是由于对直接观测事件的缺乏以及磁重联本身物理机制的复杂性，我们对它的认识仍然不足和有限，一些重要的物理机制仍然困扰着研究人员。这也使其成为当今等离子体研究领域的前沿课题。在本文中，我们首先简单介绍日地空间的概念和天体以及各种与磁重联有关的爆发现象等基本知识。随后将依次介绍磁重联的基本概念，基本物理图像和过程，包括磁扩散和磁冻结效应，并详细介绍几种比较有影响力的模型。然后我们将了解研究磁重联的几种模拟研究方法，并对本文将采用的混合粒子模拟进行详细的介绍。最后我们将运用2.5D混合粒子模拟代码对电阻率梯度对磁重联过程中各个物理图像的影响进行研究，对其结果进行细致的分析并进行讨论。

关键词：磁场重联电阻率梯度混合模拟重联率

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密度非对称的二维无碰撞磁场重联

地球物理学报 2008年第4期51卷 960-967页

作者：黄俊马志为中国科学院基础等离子体物理重点实验室中国科学技术大学合肥230026 浙江大学聚变理论与模拟中心杭州310027

使用二维粒子模拟(PIC)的方法研究了在电流片两侧具有不同温度或密度情况下的无碰撞磁场重联过程.在初始等离子体密度非对称的情况下,发现重联区等离子体流场结构、电磁场结构以及重联过程与对称情况下的结果有明显不同.通过对电流片两... 详细信息

使用二维粒子模拟(PIC)的方法研究了在电流片两侧具有不同温度或密度情况下的无碰撞磁场重联过程.在初始等离子体密度非对称的情况下,发现重联区等离子体流场结构、电磁场结构以及重联过程与对称情况下的结果有明显不同.通过对电流片两侧温度比取不同的参数T_m/T_(?)=1,2,5进行模拟(其中T_m和T_s分别代表磁层侧和磁鞘侧的温度),结果分析发现。(1)在密度非对称系统中.出流区电子沿着分离面出现一个整体的从高密度区向低密度区的流动,并围绕磁岛形成一个电流环;(2)在高温低密度一侧,在重联过程中,分离面两侧将出现很强的电荷分离并产生一个基本垂直于分离面的强度较大的电场E_z,其幅度和空间尺度与温度梯度近似地成线性正比和反比关系,在初始电流片两侧温度之比取T_m/T_s=5的情况下,E_z的幅度将达到0.71。其空间尺度与局地电子惯性长度d_(?)同一量级,这一结果与观测相吻合;(3)重联率随着温度梯度增大而下降。

关键词：磁层顶无碰撞磁场重联粒子模拟非对称电流片温度梯度重联率垂直电场

有剪切速度的Sweet-Parker薄电流片在非线性阶段的不稳定性研究

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空间科学学报 2011年第4期31卷 429-435页

作者：倪蕾杨志良中国科学院云南天文台昆明650011 北京师范大学天文系北京100875 中国科学院国家天文台中国科学院太阳活动重点实验室北京100012

以Harris Sheet作为初始条件,使用数值模拟的方法,研究了二级磁岛不稳定重联的一些性质.在模拟中随着初始扰动的加入,Harris Sheet将演化到非线性阶段,形成更薄的有剪切速度的电流片,并伴有一级磁岛产生.当Lundquist数大于或等于10~5时... 详细信息

以Harris Sheet作为初始条件,使用数值模拟的方法,研究了二级磁岛不稳定重联的一些性质.在模拟中随着初始扰动的加入,Harris Sheet将演化到非线性阶段,形成更薄的有剪切速度的电流片,并伴有一级磁岛产生.当Lundquist数大于或等于10~5时,非均匀剪切速度的Sweet-Parker电流片开始不稳定,并有二级磁岛出现.不稳定Sweet-Parker电流片对应的临界长宽比为***数越大,演化形成的Sweet-Parker电流片越薄,更多的二级磁岛将出现,且沿电流片两边向外喷出,随时间变大,相互合并.二级磁岛的出现使重联率增大,并与Lundquist数之间不再满足S^(-1/2)的关系,而似乎对它的依赖关系不明显.

关键词：二级磁岛重联率数值模拟

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非稳态多重X线重联的类型与特征

地球物理学报 1996年第6期39卷 739-746页

作者：金曙平宋锦文中国科学技术大学合肥第三世界科学院地球科学与天文学高级研究中心

为了进一步认识间歇性多重Ｘ线重联的特征，本文分析计算结果，发现入流自边界进入后向两侧发散，沿着ｘ轴（ｚ＝０）和出流边界（ｚ＝２），压强Ｐ和磁场Ｂ的分布形态表明这种非稳态重联属快模式扩张型．数值结果还表明，进入扩散区的... 详细信息

为了进一步认识间歇性多重Ｘ线重联的特征，本文分析计算结果，发现入流自边界进入后向两侧发散，沿着ｘ轴（ｚ＝０）和出流边界（ｚ＝２），压强Ｐ和磁场Ｂ的分布形态表明这种非稳态重联属快模式扩张型．数值结果还表明，进入扩散区的入流马赫数Ｍｉ与磁雷诺数Ｒｍ之间基本满足关系式Ｍｉ≈１．５Ｒｍ－１／２─１．７５Ｒｍ－１／２，而且等离子体的加速与压强Ｐｔ（Ｐｔ＝Ｐ＋的梯度力有关．这些都是具有长电流片的Ｓｗｅｅｔ－Ｐａｒｋｅｒ模式的特征．变更入流边界（ｘ＝１）上的切向速度，非稳态重联的基本特征无明显改变．说明均匀分布的低电阻（相应于高磁雷诺数）是产生长电流片重联的主导因素，而入流边界上切向速度的选取，对多重ｘ线重联的形成及其基本特征则影响不大．

关键词：非稳态多重X线重联快模式扩张重联率磁场

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无碰撞磁重联现象的电子动力学研究

西北师范大学学报（自然科学版） 2020年第2期56卷 45-50,57页

作者：苟学强李雪铭王向丽杨阳西北师范大学物理与电子工程学院甘肃兰州730070

基于磁流体力学理论,通过双流体MHD方程组,使用专业电磁流体数值仿真模拟软件Usim,研究了无碰撞等离子体磁重联过程中电子的动力学行为,得到了电子的数密度与流速的空间分布.结果表明,重联面内的电子数密度分布区域与速度分布区域相吻合... 详细信息

基于磁流体力学理论,通过双流体MHD方程组,使用专业电磁流体数值仿真模拟软件Usim,研究了无碰撞等离子体磁重联过程中电子的动力学行为,得到了电子的数密度与流速的空间分布.结果表明,重联面内的电子数密度分布区域与速度分布区域相吻合,四极型磁场结构可以表征Hall的电流存在.此外,无碰撞等离子体中Hall电流的存在将使得磁重联现象的重联率大大提高,这对研究快速磁重联的产生机制有着重要的意义.

关键词：磁重联 Hall电流重联率

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边界扰动驱动磁场重联

边界扰动驱动磁场重联

作者：杨恒磊大连理工大学

学位级别：硕士

磁场重联是太阳系等离子体物理学中一个十分重要的研究课题,也是空间等离子体和实验室等离子体中普遍存在的基本物理现象。磁场重联理论广泛地用于研究太阳系等离子体中观测到的各种爆发过程;近几年来的观测结果也表明,在地球磁层、太... 详细信息

磁场重联是太阳系等离子体物理学中一个十分重要的研究课题,也是空间等离子体和实验室等离子体中普遍存在的基本物理现象。磁场重联理论广泛地用于研究太阳系等离子体中观测到的各种爆发过程;近几年来的观测结果也表明,在地球磁层、太阳大气、其它行星磁层、彗星磁尾及受控聚变装置中等都存在磁场重联现象。然而,由于问题的复杂性,磁场重联的真实物理过程还需要进一步深入研究,磁场重联过程与太阳系等离子体中各种物理现象的内在联系尚未能完全搞清,这些都是当今太阳物理学家和空间物理学家极为关注的前沿课题,尤其是驱动磁场重联作为其中重要的一个分支和更大的复杂性日益受到更多的关注。居于以上的研究意义和科学价值,在本篇论文中将首先介绍太空等离子体物理的基础理论,并着重对磁场重联的经典模型与物理过程进行分析和说明,随后对使用的计算数学物理方法进行必要的阐述,最后结合对比撕裂模不稳定性,运用MHD流体理论探讨在边界扰动下等离子体中的驱动磁场重联现象。磁场重联率是本文计算模拟当中十分关心的物理量,其大小与演变趋势反映了等离子体中磁场重联的程度,其与驱动扰动之间的相互联系与规律将在本文最后的部分进行总结。在具体的处理方法上,文章在原有二维MHD流体理论基础上加入第三方向的分量,并且在电流片两侧加入入流扰动,通过改变其大小,距离电流片的位置,等离子体中的粘滞系数和等离子体电阻率,从而观察不同扰动情况下磁场重联的磁场位形、流场位形或者密度分布,绘制出磁场重联增长率在不同入流扰动下的图像,并分析其中的物理过程。由于模型在原有的模型基础上进行了完善性的修正,并很好地揭示了驱动磁场重联中的一些物理现象,因此对于研究地球向阳面和地球磁尾的磁场重联具有一定的是实际意义和应用价值。

关键词：驱动磁场重联入流扰动重联率增长率

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磁场重联的粒子模拟研究

磁场重联的粒子模拟研究

作者：丰慧大连理工大学

学位级别：硕士

磁重联是将储存在磁场中的的自由能转换为等离子体热能和动能的一种机制,被广泛应用于空间物理和实验室物理中。由于磁重联的过程纷繁复杂,其发生条件和物理机制还需要我们进一步探索。本文基于2.5维粒子模拟方法研究了无碰撞磁重联过程... 详细信息

磁重联是将储存在磁场中的的自由能转换为等离子体热能和动能的一种机制,被广泛应用于空间物理和实验室物理中。由于磁重联的过程纷繁复杂,其发生条件和物理机制还需要我们进一步探索。本文基于2.5维粒子模拟方法研究了无碰撞磁重联过程,得到了以下结果:在无导向场磁重联位形中,发现重联电场呈圆形分布且存在两个对称的极值点,电子在分离线外侧沿着磁力线流向X点,沿分离线流出重联区,形成了平面内的Hall电流,By呈现出四极结构分布。在离子扩散区,重联电场主要由广义欧姆定律中的Hall项构成;在电子扩散区,由于电子也与磁力线解耦,Hall项趋近于零,在X点附近的重联电场几乎完全等于电子的压力张量梯度项。在有强导向场存在时,电子沿第一和第三象限分离线外侧流向X点的速度增强,沿第二和第四象限分离线流出X点的速度减弱,By原本的四极结构被破坏,By正向区域面积变大,几乎占据了整个磁岛,负向区域面积变小,几乎只出现在分离线附近的薄层上。在强导向场存在的情况下,磁重联的发展速度明显要比无导向场存在时的慢,且重联率明显下降,重联率随导向磁场的增大而减小。电子温度对重联率的影响分为两阶段,在电子温度小于一定值时,重联率与电子温度呈正相关,而当电子温度大于这个值时,重联率与温度呈负相关。离子温度增大总会导致重联率峰值减小,起到抑制作用。电子温度非均匀分布和离子温度非均匀分布对于磁重联的影响体现在对E的不同作用范围,电子主要会在高温一侧的重联区附近产生很强的E电场,而离子主要作用在磁岛附近,在磁岛外侧形成一层面积比较大的E电场。

关键词：无碰撞磁重联重联率粒子模拟导向场温度梯度