密度非对称的二维无碰撞磁场重联

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。

无碰撞磁场重联中的不同电子特征:不同质量比下的PIC模拟

采用二维三分量的全粒子模拟方法研究了不同离子电子质量比(mi/me)下的无碰撞磁场重联中的电子特征.研究结果显示:质量比(mi/me)几乎对重联率没有影响,但是对扩散区的电子行为却影响很大.随着质量比的增大,沿着分离线的电子出流区变窄,从而电子的出流速度增大.在较大的质量比事例中出现了平行于磁场的电场,这些电场对电子的加速和加热有着重要的影响.

无碰撞磁场重联中的电子密度降低

采用二维全粒子模拟方法研究了无碰撞磁场重联.研究结果显示:沿着分离线出现了电子密度降低,而电子的高速入流正好位于电子密度降低所在的位置.在扩散区出现了平行于磁场的电场E∥,通过跟踪在某一时刻位于电子密度降低处的一个电子随后的运动轨迹和速度变化,证明这些电场将会加速和加热电子使其快速流向X线,从而产生电子密度降低.

存在初始引导场情况下的无碰撞磁场重联

采用二维三分量的全粒子模拟方法研究了不同初始引导场情况下的无碰撞磁场重联及初态为一维的Harris电流片．结果表明,B_(z0)＞0．5B_0的强引导场不仅会显著改变粒子的运动轨迹,而且会改变重联区附近的电场和流场结构,从而影响重联率和电子加速．运用广义欧姆定律解释了不同引导场下电场的结构特征．另外,通过对扩散区附近束流电子的跟踪研究发现,在二维模型中,不论引导场强弱,位于扩散区中心垂直模拟平面的感应电场对电子加速起主要作用,而扩散区外平面电场的贡献很小．

无碰撞磁场重联中的磁岛

在以下两个方面回顾了磁岛在无碰撞磁场重联中的作用:磁能到等离子体动能和热能的快速转化以及高能量电子的产生.重联的X点附近的电流片可能被拉伸并导致撕裂模不稳定性,并形成相互作用的次级磁岛.这种非稳态的磁场重联图像可以维持长时间的高重联率,进而有效地耗散磁能.电子可在磁岛内通过费米和betatron机制加速,也可在X点附近通过重联电场加速.磁岛间的相互作用可进一步加速电子.这些加速过程可导致高能量电子的幂律谱分布.

无碰撞磁场重联中的电子密度空穴和B_y的四极型分布

在无碰撞磁场重联中,在分离线的区域的磁压远大于X点附近的磁压,由此产生了沿着分离线流向X点的电子束流,这些电子在X点被加速后,又沿着靠近分离线内侧的磁力线流出重联区.一般认为这样的电流体系产生了垂直于重联面的霍尔磁场的四极型分布,而且分离线附近区域电子密度会降低.通过二维粒子模拟方法研究了无引导场时的无碰撞磁场重联,证实了这样的电流体系.并且发现四极型磁场的峰值区较分离线(即电子密度的极小区)更加靠近电流片内侧,同时Cluster卫星簇的观测资料也证实了这一现象.

无碰撞磁场重联中电子动力学的粒子模拟

采用二维全粒子模拟方法研究了存在初始引导场情况下的无碰撞磁场重联中电子的动力学特征,在计算中采用的质子电子质量比为mi/me=256.结果表明,初始强引导场的存在将会改变电子的流向,在沿着分离线的电子入流区出现了电子密度空洞和平行于磁场的电场,入流和密度空洞只出现在二、四象限内.另外与采用较小的质子电子质量比的计算结果不同的是,在X线附近的扩散区出现了新的结构特点:(1)在此处同时出现了狭窄的电子密度增大区和空洞区;(2)与X线附近电子密度的变化相对应,在扩散区沿着一、三象限的方向出现了较强的平行电场,而这部分电场对电子的加速和加热可能会比空洞区的电场作用更大一些.