磁层中磁场重联位置的分布和成因

It is proposed to explore the distribution of magnetic reconnection(MR) locations in the magnetosphere and the rules controlling those locations in this project, and it is expected to further our understanding on the triggering mechanism of MR. MR rate, magnetic and plasma structure inside and around MR diffusion region, and micro-physics which invalid the ideal plasma conditions are the three core problems of MR studies, which now are tried to be solved by focusing on the small-scale structures and physics in the frame of two-fluid plasma theories. So far, however, the mechanisms triggering MR on magnetopause and in tail plasma sheet are not fully understood, suffering from the difficulty to identify the real diffusion region from satellite observations and the difficulty to distinguish the causal relations between the observed micro-phenomena and MR. In the literature and in our previous work, it turns out that MR prefers to occur at some particular locations on the magnetopause or downstream to the earth in the geotail plasma sheet. It is reasonable to believe that at those locations there are some specific conditions which trigger MR. In this proposal, we will establish a database of MR events on the magnetopause and in the plasma sheet. On the basis of these event, the local conditions which control the occurrence of MR will be examined, and we will also figure out the conditions outside the magnetosphere which determine the local conditions at the MR site. By considering the micro-physics under the given local conditions, the mechanism for MR triggering in the magnetosphere is expected to advance.

本项目拟研究磁层顶和磁尾磁场重联的发生位置及位置的受控外部因素，力图对磁场重联的产生机制有进一步的理解。重联率、重联区磁场和等离子体结构、破坏磁冻结条件的微观物理过程是重联研究中三个相互联系的核心问题。针对这些问题，当前的研究通常在双流体理论框架下理解快速重联的物理诱因和内部结构。然而，科研实践中，一方面重联扩散区较难确认，另一方面微观物理过程和重联的因果关系较难区分，这都是导致重联诱因尚不完全理解的原因。前人和我们的工作都表明，重联在磁层中的位置分布是有规律可循的：在给定外部条件下，磁场重联可发生在此处，但不能发生在彼处；外部条件变化，重联位置也变化。有理由认为，重联区域具备特有物理条件，诱发了重联。申请人拟利用Cluster、Themis和MMS卫星数据掌握重联位置分布规律，寻找重联位置处特有物理条件，理解形成这些特有条件的外部因素，并结合微观物理理论，理解磁层中磁重联的发生原因。

磁重联是控制磁层动力学的重要物理过程。其诱发原因和进行方式是理解磁层动力学的关键。重联爆发时，所在位置的空间环境特征是研究重联触发和进展的重要物理参数。在该项目支持下，申请人对地球磁鞘等离子体和电磁场特征进行了广泛的研究。结果表明：（1）磁鞘等离子体和电磁场在磁层顶上的分布极不均匀，控制磁重联的参数，包括磁力线位型、等离子体Beta值等，在行星际磁场和磁鞘流体力学的共同控制下，表现出明显的非对称性。因此，利用弓激波上游太阳风作为磁层顶重联的触发条件并不准确。（2）利用“流经磁层的行星际磁通量”作为描述磁层顶整体重联率的参数，分析表明行星际磁场的时钟角、磁鞘等离子体 Beta 值以及太阳风声速马赫数都是该重联率的控制因素；行星际磁场南北方向主导时，磁层顶整体重联率相当；行星际磁场东西向主导时，整体重联率降低；径向行星际磁场主导时，磁场顶全方位膨胀。（3）地球磁场偶极倾角是影响磁鞘等离子体分布和磁层顶磁重联的重要物理量：磁鞘热压峰值区与磁层顶重联的位置紧密相关。偶极倾角会引起磁层顶热压峰值区变化，导致磁层顶强抗磁电流的移动，进而引起磁场重联位置的移动。由此，强热压和相应的强抗磁电流是磁层顶重联的诱因。磁层顶磁鞘流的停滞点不随偶极倾角变化，导致重联区总存在背景磁鞘流，这些流动可输运重联X点。先后形成的X点处的磁重联，是磁通量传输事件的物理机制。（4）磁层顶重联出流区内部存在电子尺度的磁通量绳结构，其与X点的磁场共同形成磁镜结构。这些磁镜结构可以导致电子betatron和fermi加速，并导致三角形的投掷角分布特征，表明电子的新的加速方式。（5）磁尾重联高速流可在近磁尾产生的涡旋结构，计算表明涡旋结构旋度的变化不足以提供观测到的场向电流，提示高速流刹车引起的压强梯度是场向电流的主要原因。我们还将坐标系转换和数据同化方法移植到月球空间环境研究，也取得诸多研究成果。