在三维磁场重联中，重联率、出流速度、X线长度三者关系是？

当前位置：首页

2021-05-08 10:59:08 黄楷字号【大中小】

摘要

中国科学技术大学空间物理教工党支部党员陆全明教授团队与美国达特茅斯学院的刘奕欣教授合作，在三维磁场重联的研究方面取得了重要进展。该团队利用三维全粒子模拟方法，首次研究了三维磁场重联中的X线长度对重联的影响，并提出了描述重联率和出流速度与重联X线长度关系一个理论模型。该研究成果以” Scaling of magnetic reconnection with a limited x-line extent”为题，2020年9月14日在线发表在《Geophysical Research Letters》。

磁场重联是等离子中的一种基本物理过程。在磁场重联中，伴随着磁场拓扑位形的改变，磁能迅速释放，并转化为等离子体的动能和热能，加速高能粒子。磁场重联在太阳耀斑，日冕物质抛射，磁层亚暴，超新星爆发等现象中都扮演着重要作用。之前对磁场重联的研究都局限于二维条件下，即使在一些三维模拟研究中，也使用了周期边界条件，导致重联的X线是无限长的。虽然这些研究在一些情况下是适用的，但大量观测表明有限长X线重联普遍存在于空间环境，例如某些磁尾较小的行星（水星）以及地球磁尾在晨昏方向长度有限的爆发性高速流等。

图 1. 左：磁场重联二维示意图（来自Stern, D. (2002). A millennium of geomagnetism, Rev. Geophys., 40(3), 1007）。右：有限长X线重联三维示意图（来自Meyer, J. C. (2015). Structure of the diffusion region in three dimensional magnetic reconnection (Ph.D. Thesis), University of Delaware.）。

重联率和出流速度是重联中的两个最基本的物理量，它们表征了磁拓扑位形改变，能量转化，以及能量和物质输运的速率。通过对一系列不同X线长度的磁场重联的模拟，文章研究了当重联X线变短时重联率和重联出流速度被抑制的物理机制，并提出了一个理论模型来描述重联率和重联出流速度与X线长度的关系。当重联X线长度有限时，重联沿X线会形成内在的不对称性：在电子漂移方向，重联更活跃（电流片更薄，出流速度更大，出流区磁场更强）；而在离子漂移方向，重联被抑制，形成重联的抑制区。这一不对称性是由于重联出流区磁场被输运至电子漂移方向导致的。

研究发现当重联X线长度变化时，重联抑制区的长度几乎保持不变，约为10个离子惯性长度，因此，当X线长度小于10个离子惯性长时，重联将被强烈抑制。当重联X线长度减小时，重联率和重联出流速度都会下降。重联率的下降是由于重联抑制区长度不变，活跃区长度占比减小导致的；出流速度的下降是由于出流区磁场被输运至电子漂移方向后会和电流片错位，导致重联出流的驱动力洛伦兹力减小导致的。

图 2. 左：有限长X线重联模拟结果。(a)为电流密度的梯度，可以用来表示电流片的厚度，红色区域电流片更薄；(b)为重联出流速度。图中三维曲线表示磁力线，绿色的部分磁场Bz更强。右：用磁场Bz的输运解释X线变短时重联出流速度减小的示意图。

该论文第一作者和通讯作者是中国科学技术大学博士后黄楷。研究获得了中科院B类先导专项（XDB41000000）、国家自然科学基金（41527804和41774169）、国家留学基金委、美国国家航空航天局NASA（80NSSC18K0754和NNG04EB99C）、MMS卫星计划（80NSSC18K0289）和挪威研究基金（300865）等项目支持，使用了美国国家能源研究科学计算中心NERSC的超算集群。

全文链接：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2020GL088147

责任编辑：李新