地球弓激波区域电子束流激发不稳定性的粒子模拟研究

Electron beam is a foundmental physical problem in space plasma, which has a close relationship with magnetic reconnection and collisionless shock. Instabilities can be excited by electron beam, and these instabilities can accelerate and heat charged particles. It has been considered extensively as a possible candidate to modify the reconnection physics through anomalous resistivity generated by wave particle interactions. The study of electron beam will be helpful to understand magnetic reconnection and collisionless shock. The concept of anomalous resistivity and instability remains poorly understood because of the limited observational situation. The numerical simulation method must be used in order to resolve this problem. A particle in cell simulation code will be used to investigate the instability driven by electron beam, and how the instability will affect the actions of electrons is also discussed.

电子束流作为一个空间等离子体中的基本物理问题，和磁场重联及无碰撞激波等现象密切相关。电子束流可以激发多种不稳定性，这些不稳定性可以加速和加热带电粒子。人们普遍认为正是这些不稳定性通过波粒相互作用提供了反常电阻，使得磁场发生重联。对于电子束流的深入研究有助于我们更好的了解重联和无碰撞激波等现象。由于观测条件的限制，对不稳定性和反常电阻的了解，还须从数值模拟方面加以研究。本项目拟采用全粒子模拟方法研究电子束流激发的不稳定性，并讨论不稳定性对电子动力学行为的影响。

通过粒子模拟方法研究了电子束流激发的不稳定性，这些结果包括：（1）利用一维静电模拟程序研究了电子离子间相对漂移速度和电子热速度相当时激发的不稳定性。研究发现，首先激发的是多普勒频移的朗缪尔波，然后才产生较强的离子声波或Buneman不稳定性，不稳定性出现的同时还伴随着局地的电子束流，当束流速度足够大时还会激发束流模。（2）模拟结果表明离子声波可以形成电双层，且电双层的宽度为几十个电子德拜长度，这和观测结果是一致的。实际上，强烈的离子声波只在电子束流存在的地方出现。通过小波分析得出，在波动出现之前这些电子束流的速度明显增大，甚至接近于电子的热速度，然后其速度值迅速减小同时波动增强。以上这些表明离子声波是由被加速的电子束流激发的。（3）静电波和磁场重联有着密切的联系，利用二维电磁粒子模拟程序我们在重联过程中发现了极化电场。在无引导场的初始条件下，在X线和分离线附近，以及等离子体片边界层，都出现了电子洞和电场的双极结构，这些结构将会延长电子在扩散区停留的时间。（4）当延长模拟区域时，我们还在磁场重联的过程中发现了电双层。电子在磁场重联X线区域得到了加速并沿着磁场流出扩散区。当电子束流的速度足够大时，将会激发离子声波从而形成了电双层。这些电双层出现时还伴随着电子空洞，电双层的结构大约是10个电子德拜长度，并且以离子声波的速度沿着磁场传播，这些结论都和观测结果一致。