磁層頂磁場重聯的低混雜波研究獲進展

2020-11-09 今日科學

由於地球磁層、磁鞘等離子體和磁場環境的差異，在地球磁層頂發生的磁場重聯通常表現為非對稱重聯。非對稱重聯的較多特徵與對稱重聯不同，其中之一即表現為低密度磁層一側的低混雜波。這些低混雜波是由重聯非對稱性相關的密度梯度所帶來的低混雜漂移不穩定性，或磁鞘離子由於有限迴旋效應進入磁層帶來的修正雙流不穩定性所激發。低混雜波被認為是磁層頂三維非對稱重聯的一個基本特徵，它們為磁場重聯提供反常電阻，並對磁鞘等離子體向磁層的擴散輸運有顯著貢獻。近日，中國科學院國家空間科學中心空間天氣學國家重點實驗室研究員王赤團隊成員副研究員唐斌斌、李文亞與國內外合作者，利用MMS衛星在一個磁層頂非對稱引導場重聯事件中發現，低混雜波可以存在與重聯的磁層一側，也可以出現在重聯的磁鞘一側。相關研究成果在線發表在Geophysical Research Letters上。

在非對稱引導場重聯中，由於Hall磁場和引導場的疊加，重聯一側出流區內的磁場會顯著增強。為了保持壓力平衡，出流區的等離子體密度會降低，繼而在重聯的磁鞘一側形成等離子體的密度梯度（圖1）。這個密度梯度會為低混雜漂移不穩定性提供自由能從而激發低混雜波。在實際觀測中MMS1、3和4三顆衛星觀測到明顯的低混雜波動現象，但是MMS 2衛星並未觀測到明顯的低混雜波動。這是由於等離子體密度梯度在遠離重聯x線（x-line）的出流區下流會逐漸變得不明顯，低混雜波因此較難增長——這也是低混雜波在重聯磁鞘一側較少被觀測到的原因。從重聯磁鞘側壓力梯度存在性的角度來看，低混雜波在有引導場的磁層頂磁場重聯中應該表現得更顯著。

觀測到的低混雜波沿著電子運動方向（電子的電場漂移和梯度漂移方向相同）傳播，這與非對稱引導場重聯中x線的抗磁漂移方向一致。由於低混雜波的相速度大於x線的漂移速度，當低混雜波傳播到重聯x線附近後物理過程值得進一步關注。同時，低混雜波還能夠有效引起等離子體從磁鞘到重聯出流區的擴散輸運，從而有助於深入理解重聯過程中的物質傳輸過程。

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