磁重联区Alfven波及新生离子的加速

利用二维混合数值模拟研究了有速度驱动、低等离子体β值情况下的磁场重联过程，结果表明磁重联过程可以产生Alfven波，该Alfven波动对重新区中的新生离子作用，使得新生离子经历投掷角散射方程，具有球壳分布特征，部分新生离子得到加速，其获得的最大能量约为4（miVA0^2/2)，此加速过程所需的加速时间在100／Ωi量级，是一个极快的加速机制，加速粒子能谱为双幂律谱。     

行星际磁云边界层中的电子分布函数特征

基于WIND 飞船观测的1995---2006 年间的磁云事件, 研究了磁云边界层中电子的流动图样, 以及电子速度分布函数的特点与电子加热和加速的关系, 得出以下结果. ①磁云边界层中存在的电子流动图样, 包括各向同性、双向流动和单向流动等. ② 相比于背景太阳风和磁云本体, 通常情况下磁云边界层中电子分布函数的核心热电子成分 (E<60eV) 增多, 超热电子成分 (E>60eV) 在沿磁场垂直方向上增多, 而在沿磁场平行或反平行方向以单方向增加为主, 此外, 还在近1/10 的磁云边界层中观测到了高能电子的明显增多. ③对比研究了磁云边界层与磁云驱动的激波对电子速度分布函数的调制作用, 经过激波, 电子分布函数的超热电子成分在各方向上都有增加, 不同于磁云边界层中在沿磁场平行或反平行方向上超热电子成分以单方向增加为主, 表明二者有不同的形成机制. ④考察了磁云边界层中的波活动增强和电子分布函数及离子流量增加的对应关系. 上述观测和对比分析进一步表明了磁云边界层是一种重要的动力学结构, 磁重联是一种可能的形成机制.      

磁层氧离子向磁鞘泄漏的机制和效应

１９９７年 １月 １０日磁暴期间， Ｇｅｏｔａｉｌ卫星在向阳侧的磁鞘中观测到了磁层氧离子突增事件．这些氧离子的出现和磁鞘中存在很强的南向行星际磁场有关．事件期间向阳面发生了准静态的磁重联，氧离子流存在由北向南的速度分量．通量突增过程具有逆向和正向能量色散现象，磁层内部只有氧离子有可能被梯度漂移输送到重联区，所以只有氧离子在磁鞘中持续地被观测到．估计氧离子的逃逸速率为 ０．６１× １０２３／ｓ，大约为环电流氧离子输入率的 ３３％．大量的环电流氧离子由磁层跑到了磁鞘，导致环电流指数 ＡＳＹ－Ｈ呈现明显的非对称性．     

高速太阳风中α粒子分布的形成

以多级波粒相互作用模型和1维电磁混合模拟方法研究了高速太阳风中α粒子分布的形成机制．认为α粒子从其产生区到1AU,经历4个特征区域：在冕洞下方的小尺度磁重联区,α粒子产生并得到加速：在约十几个太阳半径日冕区,α粒子形成球壳分布函数：在几十个太阳半径处,在Alfven波和温度各向异性不稳定性的作用下,α粒子分布函数演化为漂移Maxwell分布：当α粒子进入0．3－1AU时,Alfven波的作用使α粒子速度超过太阳风速度约1个局域Alfven速度．     

各向异性等离子体中磁场重联的混合模拟研究

应用二维三分量混合模拟方法数值研究了各向异性等离子体中的磁场重联过程．计算结果表明，当等离子体垂直于磁场方向的压强大于平行方向的压强时(P⊥／P∥＝1．5)，等离子体不稳定性的增长率会大大增强，重联速度也会加快；当等离子体垂直方向的压强小于平行方向的压强时(P⊥／P∥＝0．6)，会出现火蛇管不稳定性，将抑制撕裂模不稳定性和磁场重联过程．     

各向异性等离子体多重电流片的演化

应用二维三维量磁流体动力学方程组模拟，数值研究了压力各向异性等离子体周期多重电流片的演化，发现在β＜＜1时，微弱的各向异性仅仅使电流片中磁场重联的速度加快，而当β≈1（即热压与磁压相当时，微弱的垂直各向异性不仅大大加速了磁场重联的速度，还使重联位置发生显著变化。初始反对称的磁场重联位形逐步转化为对称的磁场位形，进而再演化为与初始反相的反对称磁场位形，场向各向异性和强的垂直各向异性都导致不稳定性增长率成倍增加。但在场各向异下磁场位形基本不变，只在电流片中心出现不规则扰动，同样参数下向向异性等离子体多重电流片中磁场重联形成的磁岛比各向同性多层电流要小。     

太阳风中磁场重联离子扩散区的大尺度特征

利用ACE和WIND卫星2007年1月6日的联合探测, 在1AU附近发现了一个等离子体密度极低的Petschek-like重联喷流区. 该喷流区内部出现了非常明显的Hall双极磁场、等离子体密度下降区以及与Hall电流相符的低能段电子投掷角分布. 这些特征与重联离子扩散区的Hall效应非常吻合, 说明很可能在太阳风中观测到了一个离子扩散区. 分析表明, 与之相关的磁场重联为准稳态快速完全反向重联, 其扩散区以一对慢模波为边界, 空间尺度达到80个离子惯性长度, 表现出了大尺度重联的特征.      

弓激波前内透射离子动力学横场流静电不稳定性

本文讨论了地球弓激波前内背景电子速度分布函数为平顶形式时的透射离子横场流静电不稳定性.结果表明,在超临界(Alfvén Mach数M_A>3)准垂直激波区(激波法向与行星际磁场之间的夹角75°)情况下,透射离子流产生的静电不稳定性增长率峰值要比电子速度为Maxwell分布时更加显著,并满足动力学性质.     

太阳风粒子速度分布不对称性的产生机制

1引言太阳风中由于磁场的作用,在垂直磁场平面内质子做回旋运动．通常在此平面的质子速度分布函数是旋转对称的．实际观测中,虽然大部分由测量值内插得到的速度分布是旋转对称的,但少数是不对称的．产生这种不对称性的原因还不清楚．文献川提出o粒子与间断面相互作用可产生非回族对称分布．由于这种非旋转对称的速度分布应是不稳定的,因而会很快弛豫到了旋转对称的分布．很难解释非对称的分布可经常被观测到的事实．我们认为这种非对称分布的观测结果并不一定是真实的非回旋对称的分布函数产生的而可能是由于太阳风等离子体小尺度的不均…     

近地磁尾准无碰撞磁重联事件

综合分析了ClusterⅡ－C1飞船在2001年9月15日飞越地球磁尾等离子体片区的热离子和磁场观测资料。结果表明，约在0340－0440UT时间期间，资料多次呈现出较强的尾向离子流（VXGSM＜0），明显的南向磁场分量（BZGSM＜0），以及明显的晨－昏向磁场分量BYGSM等特征。由此可以推断，在磁尾等离子体片中，在径向方向XGSE＞－18．6Re范围内，可能发生了多次磁重联事件，整个事件持续期约1h。磁重联事件的观测特征与准无（或半）碰撞磁重联理论的基本图像符合一致，因此这些事件应当是准无碰撞磁重联事件。     

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,Bz0＞0.5B0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.      

MMS星座对磁层顶磁通量绳内离子惯性尺度结构的观测

利用MMS观测数据,对磁层顶通量绳内离子惯性尺度（d_i）的结构进行分析研究.结果发现,许多不同尺度（约1d_i至数十d_i）的通量绳内都存在具有d_i尺度的电流 j _m,其方向在磁层顶局地坐标系的-M方向,即与磁层顶查普曼-费拉罗电流同向,由电子在+M方向的运动（ v _em）携带.这些电流结构具有以下特征:磁鞘与磁层成分混合,磁场为开放形态;离子去磁化,电子与磁场冻结;N方向（即垂直于磁层顶电流片方向）的电场 E _n显著增大,幅度达到约20mV·m-1,并伴有明显的尖峰状起伏,该增强和尖峰状起伏的电场对应于霍尔电场.分析表明,电流、电子与离子运动的偏离以及霍尔电场之间遵从广义欧姆定律,三者密切关联.进一步对磁层顶磁重联的探测数据进行分析发现,在很多重联区内也存在与通量绳内相似的结构,其尺度约为d_i量级,其中霍尔电场 E _N、电流 j _M和电子速度 v _eM均与通量绳内对应物理量的方向相同且幅度相近.基于上述观测事实,采用经典FTE通量绳模型,对通量绳内电流、电子运动和霍尔电场的起源进行了初步探讨,认为其来源于磁层顶无碰撞磁重联区内的相应结构,并且后者在离子尺度通量绳的形成过程中起到重要作用.      

Particle simulation study of substrom triggering with a southward IMF

This paper reports the spatial and temporal development of bursty bulk flows (BBFs) created by reconnection as well as current disruptions (CDs) in the near-Earth tail using our 3-D global electromagnetic (EM) particle simulation with a southward turning interplanetary magnetic field (IMF) in the context of the substorm onset. Recently, observations show that BBFs are often accompanied by current disruptions for triggering substorms. We have examined the dynamics of BBFs and CDs in order to understand the timing and triggering mechanism of substorms. As the solar wind with the southward IMF advances over the Earth, the near-Earth tail thins and the sheet current intensifies. Before the peak of the current density becomes maximum, reconnection takes place, which ejects particles from the reconnection region. Because of earthward flows the peak of the current density moves toward Earth. The characteristics of the earthward flows depend on the ions and electrons. Electrons flow back into the inflow region (the center of reconnection region), which provides current closure. Therefore the structure of electron flows near the reconnection region is rather complicated. In contrast, the ion earthward flows are generated far from the reconnection region. These earthward flows pile up near the Earth. The ions mainly drift toward the duskside. The electrons are diverted toward the dawnside. Due to the pile-up, dawnward current is generated near Earth. This dawnward current dissipates rapidly with the sheet current because of the opposite current direction, which coincides with the dipolarization in the near-Earth tail. At this time the wedge current may be created in our simulation model. This simulation study shows the sequence of the substorm dynamics in the near-Earth tail, which is similar to the features obtained by multisatellite observations. Identification of the timing and mechanism of triggering substorm onset requires further studies in conjunction with observations.     

Theoretical model of steady-state magnetic reconnection in collisionless incompressible plasma based on the Grad–Shafranov equation solution

The problem of steady-state magnetic reconnection in an infinite current layer in collisionless, incompressible, nonresistive plasma, except of the electron diffusion region, is examined analytically using the electron Hall magnetohydrodynamics approach. It is found that this approach allows reducing the problem to the magnetic field potential finding, while last one has to satisfy the Grad–Shafranov equation. The obtained solution demonstrates all essential Hall reconnection features, namely proton acceleration up to Alfvén velocities, the forming of Hall current systems and the magnetic field structure expected. It turns out that the necessary condition of steady-state reconnection to exist is an electric field potential jump across the electron diffusion region and the separatrices. Besides, the powerful mechanism of electron acceleration in X-line direction is required. It must accelerate electrons up to the electron Alfvén velocity inside the diffusion region and on the separatrixes. This is a necessary condition for steady-state reconnection as well.     

Acceleration of charged particles by fluctuating and steady electric fields in a X-type magnetic field

Release of stored magnetic energy via particle acceleration is a characteristic feature of astrophysical plasmas. Magnetic reconnection is one of the mechanisms for releasing energy from magnetized plasmas. Collisionless magnetic reconnection could provide both the energy release mechanism and the particle accelerator in space plasmas. Here we studied particle acceleration when fluctuating (in-time) electric fields are superposed on an static X-type magnetic field in collisionless hot solar plasma. This system is chosen to mimic the reconnective dissipation of a linear MHD disturbance. Our results are compared to particle acceleration from constant electric field superposed on an X-type magnetic field. The constant electric field configuration represents the effects of steady state magnetic reconnection. Time evolution of ion and electron distributions are obtained by numerically integrating particle trajectories. The frequencies of the electric field represent a turbulent range of waves. Depending on the frequency and amplitude of the electric field, electrons and ions are accelerated to different degrees and have energy distributions of bimodal form consisting of a lower energy part and a high energy tail. For frequencies (ω in dimensioless units) in the range 0.5 ? ω ? 1.0 a substantial fraction (20%–30%) of the proton distribution is accelerated to gamma-ray producing energies. For frequencies in the range 1 ? ω ? 100.0 the bulk of the electron distribution is accelerated to hard X-ray producing energies. The acceleration mechanism is important for solar flares and solar noise storms but it could be applicable to all collisionless astrophysical plasmas.     

Generation mechanism of the whistler-mode waves in the plasma sheet prior to magnetic reconnection

The whistler-mode waves and electron temperature anisotropy play a key role prior to and during magnetic reconnection. On August 21, 2002, the Cluster spacecrafts encountered a quasi-collisionless magnetic reconnection event when they crossed the plasma sheet. Prior to the southward turning of magnetospheric magnetic field and high speed ion flow, the whistler-mode waves and positive electron temperature anisotropy are simultaneously observed. Theoretic analysis shows that the electrons with positive temperature anisotropy can excite the whistler-mode waves via cyclotron resonances. Using the data of particles and magnetic field, we estimated the whistler-mode wave growth rate and the ratio of whistler-mode growth rate to wave frequency. They are 0.0016f_ce (Electron cyclotron frequency) and 0.0086f_ce, respectively. Therefore the whistler-mode waves can grow quickly in the current sheet. The combined observations of energetic electron beams and waves show that after the southward turning of magnetic field, energetic electrons in the reconnection process are accelerated by the whistler-mode waves.     

上游太阳风中高能电子向同步轨道区的传输

通常认为，同步轨道区的电子通量增加是由于磁暴或者上游太阳风高速流的扰动所引起．近来的观测表明，起源于太阳活动的行星际高能电子也是引起同步轨道电子通量增加的重要原因之一．Zhao等在研究2000年7月14日太阳剧烈活动时发现，同步轨道区相对论电子通量巨幅增加时没有观察到上游太阳风高速流的扰动，并且磁暴发生在电子通量事件之后．采用解析磁场模型和实际磁场模型(T96模型)模拟来自太阳的相对论电子在磁尾中的运动特性．计算结果表明，当行星际磁场南向时，进入到磁尾的行星际相对论电子可以从较远的磁尾区域运动到同步轨道区域．这一研究结果从理论上论证了起源于太阳活动的高能电子可以对同步轨道区相对论电子通量的增加产生重要的作用．     

利用Cluster卫星磁尾单事例研究具有复杂核心磁场结构的磁通量绳

2002年8月28日09:50UT-10:50UT,Cluster卫星在地球磁尾观测到一次导向场磁场重联事件.卫星观测到磁场重联扩散区附近清晰的霍尔（Hall）四极型磁结构.由于导向场的存在,该四极型结构被扭曲变形.在该磁场重联事件中,卫星观测到多个磁通量绳,大部分磁通量绳的核心场极性与导向场极性一致.但是,其中一例磁通量绳的核心场结构极性较复杂.该例磁通量绳中心区域核心场强度出现峰值,核心场极性和导向场极性一致;中心以外区域的核心场极性和导向场极性相反.这种复杂核心场结构以前未见报道.通过最小方向导数法,发现该磁通量绳的轴向是弯曲的.C1和C3卫星穿越了磁通量绳弯曲部分,探测到核心场极性变化;C2和C4卫星位于C1和C3卫星的北侧,仅穿越了磁通量绳弯曲处的一部分,故核心场具有单极性.