带电粒子在磁重联电流片中的加速特征研究

Solar flare is the most powerful explosions in the solar system, the accelerated above 20 keV electrons and the greater than 1 MeV ions appear to contain 10%-50% of this energy. Particle acceleration is an important feature of the flare energy release, and one of the most fascinating aspects of solar flares is how the particles are accelerating to high energies. In this project, the particle acceleration in reconnecting magnetic current sheets will be studied through numerical simulations and theoretical analysis. Basically, this project focuses on three problems. Firstly, in the situation both with and without guide field, particle acceleration in asymmetry magnetic reconnecting current sheet including multiple islands will be studied,the particle orbit and energy spectra will be investigated. Secondly, the electromagnetic field will be set up in a self-consistent fashion through turbulence MHD simulation with high Lundquist number. Thirdly, the physical processes occurring in the local regions will be self-consistently connected to the overall characteristics of the large-scale current sheet. The purpose of the above studies is to find the acceleration process in the different structures of current sheet and build a better particle acceleration model.

耀斑是太阳大气中剧烈的能量释放过程，大于20 keV的电子和大于1 MeV的离子包含了其中10%-50%的能量。粒子加速是耀斑能量释放的一个重要特征，也是太阳耀斑研究最有吸引力的方向之一。本项目将在接近太阳日冕环境下的磁流体力学范围内，使用数值模拟和理论分析相结合的方法来研究带电粒子在磁重联电流片中的加速过程。主要进行三个方面的研究：（1）在有引导场和无引导场的情况下，研究带电粒子在不对称磁重联电流片中的加速过程，获得粒子的运动轨迹和能谱分布；（2）通过对高磁雷诺数湍流不稳定磁重联的MHD数值模拟来获得更符合日冕实际的、耦合的电磁场结构，并进一步研究带电粒子在电流片中的加速特征及能谱分布；（3）将发生在局部区域中的加速过程同大尺度电流片的整体特征自洽地结合起来。我们希望通过采用以上不同电流片结构来研究粒子在其中的加速过程，建立更完善的耀斑磁重联区域内的粒子加速模型。

在太阳耀斑中，带电粒子能被加速到很高的能量。虽然我们知道磁重联是产生高能粒子的一种有效机制，但加速粒子的细节尚不清楚。本项目研究了包括多个磁岛和引导场在内的磁重联电流片上的粒子加速问题。由于各种等离子体不稳定性，长电流片通常是不稳定的其中撕裂模是最重要的，当这些不稳定性发展时，磁岛开始在电流片中形成。两个反向过程通常在电流片中观察到：大磁岛级联到较小的磁岛，较小的磁岛并合成较大磁岛。当两邻近岛屿合并时并合重联发生。通过并合重联感生的电场和主重联电场是相反的。我们研究了这种电流片中的粒子加速，并通过测试粒子法研究了电流片中电子和质子的详细动力学性质。我们发现一些粒子可以在很短的时间内被加速到高能量，一些粒子（靠近并合重联点）被初级和二次电场来回加速和减速。粒子运动轨迹上表现出两种不同的类型：一些粒子被束缚在磁岛周围，一些粒子主要沿着磁力线上逃逸。随着引导场的存在，质子和电子最终会向不同方向运动。电子和质子能谱均呈双幂律型分布。幂律谱的较软成分是由于粒子在磁岛周围被俘获而产生的，然而逃逸和部分被捕获粒子构成了光谱中较硬的部分。最后，研究了重联过程参数对谱特征的影响。另外，还对磁重联电流片内部的性质进行的研究，获得许多有价值的结果。