湍动磁重联中的间歇性能量耗散
2017-09-28
 
磁重联是一种造成自然界和实验室中许多爆发性现象的物理过程,它可以有效地将磁场能量耗散成粒子能量。传统上认为磁重联发生在离子趋肤深度尺度的一个小“扩散区”内。这个区域一般遵循双流体的图像,但其边界上合并的反平行磁力线可能存在强烈的波动,使得其内部出现如X线和O线的典型精细结构。在磁重联期间,磁力线“断裂”和“重联”,并释放大量的能量,在太阳上以硬X射线的形式或在磁尾以高能电子的形式辐射出来。如何在这么小的区域里,耗散如此多的磁场能量到粒子能量,仍然是个谜。传统上认为X线是能量耗散发生的主要位置,并产生两个反向的等离子体射流。然而,最近的三维模拟结果表明,O线可能也很重要。到目前为止,能量耗散的确切位置一直还不清楚。
 
 
 
1 利用FOTE方法重构的X线和O线形状
 
为了揭示磁重联中的能量耗散,首先要识别X线和O线。这需要(1)多颗卫星同时位于磁重联扩散区内,并具有亚离子尺度的卫星间距;(2)一种能够重构卫星周围磁场拓扑结构的工具。欧洲航天局(ESA)的四颗编队卫星Cluster可以满足第一准则:2003年秋,Cluster卫星在地球磁尾探测到几次磁重联事件,离子扩散区的尺度为1000公里。在这些事件中,Cluster卫星间距为200公里,即1/5离子尺度,因此所有卫星同时位于扩散区内。而为了符合第二个标准,研究团队最近开发并测试了一种新的方法,即一阶泰勒展开(FOTE)。该方法在2015年以封面文章的形式发表于空间物理学著名期刊JGR上并受到了国际同行的广泛关注。
 
 
 
2 Cluster卫星计划及其对地球磁尾重联扩散区的探测
 
研究团队使用FOTE方法和Cluster卫星2003年的实测数据,揭示磁重联中的能量耗散。他们在磁重联扩散区发现很多灯丝电流和磁零点,最强的电流出现在螺旋磁零点(O线)和分形线上。在每个灯丝电流处,动力学尺度的湍动明显增强,且能量耗散(E’?J)比典型值大100倍。在重联射流的反转处,即径向零点(X线)处,电流、湍动和能量耗散都非常小。所有这些特点都清楚地表明,磁重联的能量耗散发生在O点处而不是X点处。
 
 
 
3 湍动磁重联中的间歇性能量耗散
 
相关研究成果发表于国际空间物理学著名期刊Geophysical Research LettersGRL)上,并被美国地球物理协会(AGU)评为研究亮点(AGU Research Spotlights)。美国地球物理学会(AGU)和欧洲空间局(ESA)分别对该项成果做出了专题报道。在美国地球物理学会的专题报道中,该项成果被评价为“颠覆了磁重联的传统观念”;在欧洲空间局的专题报道中,该项成果被评价为“挑战了当前对磁重联的认识”。同时,美国地球物理学会认为“该成果将引发剧烈的讨论”;欧洲空间局认为“该成果将促使人们对磁重联现象进行重新思考”。
 
 
 
4 该成果被美国地球物理学会(AGU)评为研究亮点(AGU Research Spotlights),美国地球物理学会(AGU)和欧洲空间局(ESA)分别对该成果做出了专题报道。
 
 
符慧山,空间与环境学院,教授,青年千人,E-mail:hsfu@buaa.edu.cn
 
 
参考文献
[1]Fu, H. S., et al. (2017), Intermittent energy dissipation by turbulent reconnection, Geophys. Res. Lett., 44, 37–43, doi:10.1002/2016GL071787.
[2]Fu, H. S., et al. (2015), How to find magnetic nulls and reconstruct field topology with MMS data?. J. Geophys. Res. Space Physics, 120, 3758–3782. doi: 10.1002/2015JA021082.
 
 
美国地球物理学会(AGU)专题报道链接:
https://eos.org/research-spotlights/for-magnetic-reconnection-energy-o-not-x-might-mark-the-spot
欧洲空间局(ESA)专题报道链接:
http://sci.esa.int/cluster/58994-o-marks-the-spot-for-magnetic-reconnection/