无碰撞磁场重联的数值模拟研究

摘要

磁场重联是空间等离子体中一种重要的动力学过程和能量转换机制。在磁场重联过程中，伴随着磁力线拓扑位形的改变，储存在电流片中的磁自由能释放出来，转换成等离子体的动能和热能，从而起到加速和加热等离子体的作用。无碰撞磁场重联是近十几年发展起来的重联理论。其最早提出是来自于计算机数值模拟，随后大量的观测和实验结果证实了无碰撞磁场重联理论的可靠性。本文采用了二维粒子模拟和三维全球混合模拟方法研究了无碰撞磁场重联的物理过程及其在实验室和地球磁层等离子体中的作用，得到了以下结果:
　　1.无碰撞磁场重联中的电子动力学无碰撞磁场重联的触发一般认为是由电子扩散区中的电子动力学效应引起的。在电子扩散区中，重联电场主要是由电子压力梯度项贡献。我们采用二维粒子模拟的方法研究了重联电场的自发增长过程，发现在电子扩散区中重联电场（电子压力梯度项）呈指数增长。我们提出了一个理论模型来解释该自发增长的现象。在磁堆积区，重联电场主要是由电子运动项贡献;而在磁堆积区中的重联电场（电子运动项）也呈指数增长，并且其增长率是电子扩散区中的两倍。此外我们在磁场重联的二维粒子模拟研究中发现磁岛内垂直于重联面的磁场沿着x方向形成了规则的正负交替结构，这种结构是由于Weibel不稳定性所产生的;而Weibel不稳定性是由磁岛内的电子温度各向异性所激发。这种磁岛内的电子温度各向异性可能是由于被重联电场加速后的电子沿着磁力线运动所造成的。我们还研究了无碰撞磁场重联中的电子能量分配和转换过程。磁场重联所释放的磁能相当一部分被转换成了电子的整体动能和热能。在X线附近，电子的整体动能密度远高于电子热能密度。电子整体动能的演化主要是由电场力和电子压力梯度力做功所决定的。而在X线附近电子压力梯度力所做的功立即被转换成了电子焓流，流出该区域。在磁岛内，流入的电子焓流在此转换成电子热能。焓流从X线附近流入到磁岛内的过程是通过磁岛内等离子体的压缩所体现的。重联磁场通过释放磁张力起到了压缩磁岛的作用，于是磁岛内的热能密度比电子整体动能密度高很多。
　　2.“神光二号”激光-等离子体磁场重联实验的粒子模拟最近在高能激光产生的等离子体中实现了磁场重联的实验。两束相互靠近的激光打在箔靶上产生了等离子体泡和自生磁场。两个等离子体泡包裹着自生磁场不断膨胀并且相互挤压，在它们之间会产生磁场重联现象。最近，上述重联实验也在我国的“神光二号”激光器上得以实现。我们采用“神光二号”的实验参数对该实验进行了二维粒子模拟研究，并对实验中产生的等离子体团和三叉高速喷流分别提出了理论解释。在重联发生之前，两个等离子体泡之间存在着强烈的相互挤压，从而形成了一个薄电流片。该电流片对于撕裂模是不稳定的，触发了多X线磁场重联，并形成了等离子体团结构。等离子体泡之间的磁场重联出流区还形成了三叉高速喷流。上下两束高速喷流是由于电子在X线附近被重联电场加速后沿着磁力线出流所形成的，中间一束高速喷流来自于等离子体泡之外的背景等离子体。它们被快速向外移动的磁场反弹，并在此过程中被磁堆积区的重联电场加速，形成了中间一束高速喷流。
　　3.地球磁尾磁场重联和相关动力学过程的三维全球混合模拟磁场重联在地球磁层中起到了重要的作用。我们利用最新开发出来的三维全球混合模拟模型首次研究了南向行星际磁场下的地球磁尾磁场重联以及相关的动力学过程。结果发现日侧磁场重联导致了等离子体、能量和磁通量注入到地球磁层，并在磁尾堆积使得磁尾电流片变薄。磁尾电流片满足一定条件时，也会发生近地磁尾重联，形成多个具有三维结构的磁通量管。Hall电场在薄电流片中造成的电场漂移使得离子整体向晨侧运动，导致了磁尾密度存在着晨昏不对称性:晨侧密度高，昏侧密度低。所以磁场重联以及相关的动力学过程（例如重联加速产生的高速流）更容易在昏侧发生。地向高速流导致了离子向内磁层的输运，输运进内磁层的离子由于在偶极磁场中曲率漂移和梯度漂移的作用形成了环电流。离子的速度分布和能谱也说明在磁尾不同的区域存在着多成分（束流）的离子。由于注入的磁通量和离子所造成的压力堆积导致了磁尾磁场的偶极化。地向高速流也在压力的堆积区刹车，并在此处形成了涡旋结构。在偶极化锋面附近还形成了压缩波结构。在偶极化锋面磁场骤增之前形成了一个窄的磁场下降的区域（主要集中在昏侧）。昏侧环电流等离子体中发现有剪切流不稳定性，而晨侧环电流区域则出现了气球模不稳定性。磁尾重联还产生了剪切Alfvén波，并在偶极场区域演化成了动力学Alfvén波。与此对应的是，电离层上方形成了多个场向电流的条状结构。