无碰撞磁场重联中Hall效应相关离子行为观测研究

Magnetic reconnection is the important physical process, by which the magnetic energy is rapidly converted into the thermal energy and kinetic energy of particles. The decoupling of ions and electrons at ion inertial scale induces the Hall currents, Hall magnetic field and Hall electric fields, which characterizes the collisionless magnetic reconnection. Previous studies concluded that in addition to protons, oxygen ions take part in the process of magnetic reconnection. The detailed features of the decoupling between these ions and electrons are not clear until now. Previous study showed that the ion diffusion region enveloping Hall region is the main region of the energy conversion in reconnection where Hall electric fields play an important role in accelerating ions. The different asymmetry of background plasma across the reconnection current sheet can cause the distinct spatial distribution of Hall magnetic fields and Hall electric fields. A systematic investigation of ion accelerating in these Hall magnetic fields and Hall electric fields is necessary. In this project, we work on the ion dynamics related to Hall effects based on the multi-spacecraft observations. The effect of ion composition on the ion-electron decoupling will be investigated to identify the multiscale process of the ion-electron decoupling. We study the ion acceleration in Hall region under different asymmetric condition to understand how Hall effect affects the formation of reconnection jet and how Hall effect contributes to the energy conversion in magnetic reconnection. The results can provide us the observational basis to better understand magnetic reconnection.

磁场重联是将磁场能量快速转化为粒子动能和热能的重要物理过程。离子和电子在离子尺度解耦导致Hall效应，是无碰撞磁场重联的标志性过程。研究表明氧离子能够参与重联过程，但氧离子与电子解耦的具体过程目前并不清楚。研究表明Hall电磁场对离子加速具有重要作用，Hall效应主导的区域是重联能量转化的主要区域。重联电流片两侧不同的背景等离子体非对称度会导致迥异的Hall电磁场空间分布，离子在Hall电磁场中的加速过程还缺乏系统研究。在本项目将对Hall效应中离子行为进行深入的观测研究：研究离子电子解耦的过程中离子成分对该过程的影响，揭示Hall效应中由于多离子成分导致的离子电子解耦多尺度过程；研究不同非对称条件下Hall区域内的离子加速过程，了解Hall效应对重联高速出流形成过程的影响和对磁场重联能量转化机制的贡献。研究成果为解决磁场重联这一重要空间物理学问题提供观测依据。

磁场重联是将磁场能量快速转化为粒子动能和热能的重要物理过程。离子和电子在离子尺度解耦导致Hall效应，是无碰撞磁场重联的标志性过程。在本项目研究离子电子解耦的过程中离子成分对该过程的影响，揭示Hall效应中由于多离子成分导致的离子电子解耦多尺度过程；研究不同非对称条件下Hall区域内的粒子加速过程，了解Hall效应对重联高速出流形成过程的影响和对磁场重联能量转化机制的贡献。. 通过该项目的研究取得以下重要成果：第一项目首次观测到强非对称条件下的异常四极Hall效应，发现强非对称条件下法向电场产生的物理机制是离子运动拉莫半径效应产生的压力梯度各项异性；第二发现非对称重联中Hall 电磁场可以呈现出比我们认知更为复杂的结构，发现在反平行磁场重联X线附近存在Hall磁场使得反平行重联具有分量重联的性质，起到了引导场的作用；第三发现了磁场重联触发的“蝴蝶效应”，揭示了微观磁场重联—局地离子环境改变—气球模不稳定性—宏观磁尾拍动的空间天气事件因果链，提供了一种关于磁尾小尺度物理过程触发较大尺度物理过程的新的解释；第四首次观测到非对称磁场重联六极Hall磁场，并且伴随此磁场一个新的磁场重联离子出流被发现；第五项目以霍尔区两侧的离子混合强度作为指标，探究霍尔磁场在不同非对称条件下的多空间尺度演化。结果显示随着重联的发生以及离子的注入过程，磁场重联中的霍尔效应从双极结构演变非对称四极结构，最终演变为对称四极结构；第六研究揭示了磁场重联扩散区非对称条件引起偏置霍尔效应-霍尔效应导致剪切-剪切产生磁绳内核心场的微观物理过程，提出了提出霍尔磁场产生磁通量绳内部核心场的物理机制。. 通过本项目的深入研究，提升了我们对磁场重联过程中Hall 效应和离子行为的认知，研究成果为磁层空间等离子体磁场重联动力学机制及其空间天气学效应的理解，为揭示重联的空间结构以及其在磁层空间天气过程中的作用奠定了观测基础。. 本项目相关研究结果截至目前发表文章5篇，都发表于JGR，APJ等国际主流期刊。