无碰撞磁场重联电流片中混沌感应电阻的分布

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磁场重联作为有效的磁能释放机制,已经被广泛应用于解释太阳耀斑、地球磁暴等各类等离子体爆发活动现象。不过,有关重联电流片的一些关键动力学过程,尤其是无碰撞重联区内反常电阻的微观物理机制,仍然是尚未解决的基本问题。在众多有关反常电阻形成的物理机制中,基于带电粒子在重联区磁零点附近轨道混沌性的混沌感应电阻,虽然不是最普遍流行的形成机制,但却是微观物理图像最为清晰的产生机制。日本学者Yoshida和Numata等人在1998-2003年期间率先提出和研究了带电粒子在X型磁零点附近的轨道混沌性导致载流粒子定向运动随机化的“电阻”效应,并称之为“混沌感应电阻”。2014年Andriyas和Spencer针对磁尾重联区的观测特征,通过模拟研究发现这一混沌感应电阻机制对磁尾重联电流片中反常电阻的产生可能具有重要贡献。2017年Shang(尚萌)等人将Yoshida和Numata等人的工作进一步推广到具有非零引导场,即X型磁中性点的情形。考虑到实际重联区磁场和电流分布具有比较复杂的拓扑结构,本论文系统研究了具有不同电流片结构的无碰撞重联区内混沌感应电阻的分布特征,并对它们在日冕和太阳风等不同磁化等离子体环境中对产生反常电阻的贡献进行了讨论。在论文的第一章对有关无碰撞磁场重联及其反常电阻与混沌感应电阻等相关科学背景和研究现状进行了简单介绍之后,在论文的第二章中,将Shang等人研究的X型磁中性点情形扩展为呈现双Y型磁场位形的有限宽度均匀重联电流片,结果显示混沌感应电阻在电流片内的分布呈现显著的非均匀特征,主要分布在靠近电流片两边的Y型耗散区,比电流片中间核心区高1个数量级。同时,针对日冕等离子体环境参数的分析表明,Y型耗散区的混沌感应电阻相对于经典碰撞电阻可以提高5-6个数量级,能够满足耀斑能量的快速释放速率对反常电阻的要求。许多理论分析和数值模拟研究都显示,上述有限宽度的重联电流片经常是不稳定的,尤其是电阻撕裂模不稳定性将导致均匀电流片演化成具有X型和O型磁中性点交替分布的岛链结构电流片。因此,在论文的第三章中,进一步研究了具有岛链磁结构的非均匀重联电流片中混沌感应电阻的分布。结果表明,岛链电流片中的混沌感应电阻主要分布在X型中性点附近,比O型中性点附近的混沌感应电阻高1-2个数量级:这与以往磁流体模拟中显示的岛链电流片耗散区和通流区分别主要集中在X型和O型中性点附近的结果是一致的。另外,一些观测分析显示在磁尾和行星际等离子体环境中时常呈现有双电流片的分岔结构。例如,Chian等人在行星际太阳风中发现一个由三重日冕物质抛射相互作用形成的双电流片结构,他们的分析结果显示在双电流片的中心区域呈现有较强的间歇性湍动。在论文的第四章中,对混沌感应电阻在双电流片结构中的分布特征也进行了分析研究。基于相应的实地测量参数,结果显示在间歇性湍动区内的混沌感应电阻比外面高出2个数量级,这意味着混沌感应电阻可能是导致间歇性湍动形成的重要原因。论文的第五章是对论文研究工作的简要总结与展望。本论文的研究结果显示,在无碰撞磁场重联反常电阻产生机制的问题中,混沌感应电阻是一个值得进一步深入研究的方向。
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