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地球磁层中由哨声波调制的快速磁场重联

引言:

在传统上我们认为Alfvén波在驱动重联的过程中起到了关键作用。Alfvén 波可以在重联过程中加速等离子体,直到Alfvén速度。Alfvén波可以描述磁力线的横向扰动,它是由离子的运动控制的,但是常规的MHD电阻模型中,由于重联率太小而不能解释空间等离子体中观测到的能量快速释放,除非存在反常电阻。但是,至今为止还没有证据显示在重联扩散区内存在反常电阻。近来的理论研究认为,扩散区是一个多尺度结构,小尺度的动力学过程是由哨声波控制的。哨声波在重联过程中加速等离子体离开磁喷嘴(magnetic nozzle)。在离子惯性尺度内,电子和离子解耦,磁场仅仅和电子流冻结在一起。哨声波在本质上是由电子的运动引起的,由于电子的质量更轻,因此会使小尺度结构上的扰动有更快的速度。由于电子和离子的相对运动产生的HALL电流使得Alfven波驱动的重联转化为哨声波调制的重联。因此,当此喷嘴足够小的时候,哨声波取代了Alfven波的位置。相反的,重联率变大,并且对破坏冻结条件的机制变得不敏感。本篇文章首次在观测上证实了在空间等离子磁场重联过程扩散区中哨声波的存在,对于理解快速在传统上我们认为Alfvén波在驱动重联的过程中起到了关键作用。Alfvén 波可以在重联过程中加速等离子体,直到Alfvén速度。Alfvén波可以描述磁力线的横向扰动,它是由离子的运动控制的,但是常规的MHD电阻模型中,由于重联率太小而不能解释空间等离子体中观测到的能量快速释放,除非存在反常电阻。但是,至今为止还没有证据显示在重联扩散区内存在反常电阻。近来的理论研究认为,扩散区是一个多尺度结构,小尺度的动力学过程是由哨声波控制的。哨声波在重联过程中加速等离子体离开磁喷嘴(magnetic nozzle)。在离子惯性尺度内,电子和离子解耦,磁场仅仅和电子流冻结在一起。哨声波在本质上是由电子的运动引起的,由于电子的质量更轻,因此会使小尺度结构上的扰动有更快的速度。由于电子和离子的相对运动产生的HALL电流使得Alfven波驱动的重联转化为哨声波调制的重联。因此,当此喷嘴足够小的时候,哨声波取代了Alfven波的位置。相反的,重联率变大,并且对破坏冻结条件的机制变得不敏感。本篇文章首次在观测上证实了在空间等离子磁场重联过程扩散区中哨声波的存在,对于理解快速磁场重联有重要意义。

观测:

在1997年1月10号,GEOTAIL卫星穿越了日向侧的磁层顶。当天日冕抛射物冲击地球磁层,使得磁层顶电流片厚度和离子惯性尺度相当。下图给出了GEOTAIL在05:35-06:05UT时间内的观测数据。




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有如下几个证据表明卫星穿越了磁重联扩散区并且观测了Hall效应。第一个证据是观测到了垂直于重联平面的By 磁场分量具有典型的双极结构;同时,Bx分量也呈现双极结构,表明有磁岛的存在。第二个证据是在多次穿越磁层顶边界层时,观测到了By的极性变化。以上观测事实都可以由电子HALL电流产生的垂直于重联平面的By四极结构很好的解释。




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第三个证据是观测到了哨声波频段范围内的电磁波增强,而且该波模是右旋极化的,说明是哨声波。




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结论:

上面的观测都证明了Hall磁场四级结构的存在,支持哨声波调制重联的的理论。HALL效应在无碰撞重联中起到了重要的作用,重联率大小与电子扩散区尺度是无关的,即重联率完全由离子动力学过程决定。哨声波模的传播特性是理解这一特性的关键。


本文发表在2001年3月29日《NATURE》VOL410上


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