無碰撞磁場(chǎng)重聯(lián)擴(kuò)散區(qū)結(jié)構(gòu)和電子加速.pdf

1、磁場(chǎng)重聯(lián)是空間物理和實(shí)驗(yàn)室等離子體物理中重要的研究課題，也是研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。衛(wèi)星觀測(cè)是研究磁場(chǎng)重聯(lián)的重要手段之一。本文利用Cluster衛(wèi)星磁尾觀測(cè)數(shù)據(jù)，研究了磁場(chǎng)重聯(lián)擴(kuò)散區(qū)結(jié)構(gòu)、電子密度空穴、高能電子加速、電子投擲角分布和亞暴等問題，得到了一些重要結(jié)果，具體如下：
　　 1.無碰撞磁場(chǎng)重聯(lián)擴(kuò)散區(qū)結(jié)構(gòu)及次級(jí)磁島
　　 利用Cluster衛(wèi)星2003年10月4日的觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析了單個(gè)重聯(lián)事例。觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，離子擴(kuò)散區(qū)中心區(qū)域出

2、現(xiàn)了次級(jí)磁島。次級(jí)磁島帶有很強(qiáng)的核心磁場(chǎng)，磁島長(zhǎng)寬比約為2∶1，即磁島是扁平結(jié)構(gòu)，在z方向被壓縮(GSM坐標(biāo)系)。磁島內(nèi)部，能量達(dá)200keV的高能電子通量出現(xiàn)峰值，電子平行溫度大于垂直溫度。對(duì)磁島內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，磁島的“外部區(qū)”電子密度出現(xiàn)峰值，而磁島“核心區(qū)”電子密度降低到很低水平。同時(shí)發(fā)現(xiàn)磁島“外部區(qū)”，沿磁力線方向存在很強(qiáng)的電子束流，從而形成了由磁場(chǎng)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的逆著磁力線的電流。此電流產(chǎn)生了核心區(qū)很強(qiáng)的核心磁場(chǎng)，擠壓電

3、子，使得電子堆積于磁島的“外部區(qū)”。分析擴(kuò)散區(qū)內(nèi)電子譜線發(fā)現(xiàn)，擴(kuò)散區(qū)內(nèi)電子分布呈平頂分布，在磁島的“外部區(qū)”，這種平頂分布依然存在，但是在“核心區(qū)”，平頂分布消失，出現(xiàn)了電子的指數(shù)分布。由于低能電子被加速，低能電子的相空間密度必然降低，而較高能量電子的相空間密度增加，使得在一定能量范圍內(nèi)，電子的相空間密度保持定值，及所謂的平頂分布。重聯(lián)電場(chǎng)和擴(kuò)散區(qū)及磁島“外部區(qū)”觀測(cè)到的低混雜波可能同時(shí)加速電子，形成了觀測(cè)上的高能電子分布。
　　

4、 2.無碰撞磁場(chǎng)重聯(lián)擴(kuò)散區(qū)內(nèi)電子投擲角分布
　　 利用2001年9月10日的觀測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)Cluster衛(wèi)星分成兩組同時(shí)穿越了磁尾重聯(lián)擴(kuò)散區(qū)的南北部分。分析發(fā)現(xiàn)，X線區(qū)域附近分界線外側(cè)區(qū)域，低能電子呈雙向分布、而高能電子呈各向同性分布；分界線以內(nèi)的區(qū)域，低能電子依舊出現(xiàn)雙向分布，而高能電子出現(xiàn)逆著磁力線方向的電子束流。對(duì)于出流區(qū)域，分界線附近，低能電子沿磁力線進(jìn)入X線區(qū)域、高能電子逆著磁力線流出X線區(qū)域，靠近電流片區(qū)域，低能電

5、子出現(xiàn)雙向分布、而較高能量的電子各向同性分布。利用粒子模擬，給出了這些分布的形成原因。X線區(qū)域，低能電子由于磁鏡效應(yīng)，將在X線區(qū)域多次彈跳，故低能電子出現(xiàn)雙向分布。在X線區(qū)域被加速的電子，沿磁力線離開，形成高能尾，所以，出流區(qū)分離線附近，低能電子流入X線區(qū)域、高能電子流出。當(dāng)衛(wèi)星進(jìn)入出流區(qū)電流片中心區(qū)域，低能電子出現(xiàn)雙向分布而高能電子各向同性。由于磁鏡效應(yīng)，低能電子沿著磁力線多次來回彈跳，形成了這種雙向分布。對(duì)于高能電子，電子的回旋半徑

6、和磁場(chǎng)曲率相當(dāng)，電子隨機(jī)運(yùn)動(dòng)、形成了各向同性的分布。
　　 3.無碰撞磁場(chǎng)重聯(lián)擴(kuò)散區(qū)內(nèi)高能電子空間分布
　　 利用2001年9月10日的重聯(lián)事例，分析了擴(kuò)散區(qū)內(nèi)部高能電子的空間分布。分析發(fā)現(xiàn)，高能電子堆積于重聯(lián)堆積區(qū)，而在X線區(qū)域高能電子很少。等離子體溫度也出現(xiàn)了類似的變化：X線附近溫度降低，而在堆積區(qū)溫度升高。此外，高能電子分布在X線地側(cè)和尾側(cè)不對(duì)稱，在地側(cè)的高能電子通量高于尾側(cè)的通量。依據(jù)觀測(cè)推斷電子只在擴(kuò)散區(qū)被加速

7、，被加速電子堆積在重聯(lián)堆積區(qū)。觀測(cè)否定了二步加速機(jī)制，因?yàn)槿绻娮釉诙逊e區(qū)被進(jìn)一步加速，我們將會(huì)在堆積區(qū)之外觀測(cè)到更多高能電子。X線地側(cè)和尾側(cè)高能電子分布的不對(duì)稱性可能是由于地球偶極磁場(chǎng)所致。
　　 4.磁層亞暴單事例分析
　　 磁尾磁場(chǎng)重聯(lián)和磁層亞暴關(guān)系密切，利用位于中磁尾的CLUSTER衛(wèi)星，同步軌道附近LANL-01、LANL-97衛(wèi)星，近磁尾POLAR和極區(qū)IMAGE衛(wèi)星的觀測(cè)，分析了單個(gè)亞暴事例。在此事件中，中