磁場重聯(lián)中電子尺度的物理過程

滿恒妍，周 猛，鐘志宏，鄧曉華

1 南昌大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，南昌 330031

2 南昌大學(xué)空間科學(xué)與技術(shù)研究院，南昌 330031

3 南昌大學(xué)物理與材料學(xué)院，南昌 330031

0 引言

磁場重聯(lián)被認(rèn)為是各種磁化等離子體系統(tǒng)中最基本的磁場能量釋放機(jī)制之一.伴隨著磁場拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變，這一過程可以將磁能快速轉(zhuǎn)化為等離子體的動(dòng)能和熱能，導(dǎo)致帶電粒子的加速和加熱.磁場重聯(lián)這一概念最早可以追溯到對(duì)高能粒子加速機(jī)制的研究.Giovanelli（1946）在研究太陽耀斑時(shí)，提到兩條方向相反的磁力線相向運(yùn)動(dòng)時(shí)，磁力線會(huì)在某一點(diǎn)“相遇”，然后發(fā)生“磁場湮滅（magnetic annihilation）”，從而導(dǎo)致太陽耀斑中的強(qiáng)輻射.1958 年，Dungey 首次提出了“重聯(lián)（reconnection）”這一名詞，并在之后建立了首個(gè)地球開放磁層模型（Dungey,1958,1961）；Sweet（1958）和Parker（1957）率先將磁場重聯(lián)作為局域現(xiàn)象進(jìn)行了定量研究，提出了第一個(gè)磁場重聯(lián)模型?Sweet-Parker 模型.該模型假設(shè)了重聯(lián)擴(kuò)散區(qū)的存在，認(rèn)為等離子體攜帶著磁力線從上游的入流區(qū)進(jìn)入擴(kuò)散區(qū)，從下游的出流區(qū)流出.該重聯(lián)模型的重聯(lián)率和Lundqvist 指數(shù)呈反相關(guān),而大多數(shù)空間和天體等離子體中的Lundqvist 指數(shù)在1010量級(jí)以上，對(duì)應(yīng)著非常小的擴(kuò)散區(qū)寬長比，因此該模型的重聯(lián)率很低，不能解釋一些快速的能量釋放現(xiàn)象.為了解決上述問題，Petschek（1964）在Sweet-Parker 模型的基礎(chǔ)上保留了重聯(lián)擴(kuò)散區(qū)，但是將擴(kuò)散區(qū)的長度縮小，并加入慢激波，認(rèn)為等離子體可以從上游經(jīng)過兩對(duì)慢激波被加速，使得重聯(lián)率大幅增加.以上模型均假設(shè)存在一個(gè)有經(jīng)典電阻的擴(kuò)散區(qū)，而空間等離子體十分稀薄，可以忽略碰撞效應(yīng)，沒有經(jīng)典電阻，故上述模型仍然難以解釋無碰撞等離子體中觀測到的爆發(fā)性能量釋放.另外，Petschek 模型并非一個(gè)自洽的模型.于是一個(gè)新的無碰撞磁場重聯(lián)模型?Hall 重聯(lián)模型被提出（Birn et al.,2001），用于描述無碰撞等離子體中的磁場重聯(lián).Hall 重聯(lián)模型如圖1 所示，離子在離子慣性尺度內(nèi)和磁場解耦，而電子依舊和磁力線凍結(jié)，形成離子擴(kuò)散區(qū)；當(dāng)尺度接近電子慣性尺度時(shí)，電子也和磁場解耦，形成電子擴(kuò)散區(qū).離子和電子的分離運(yùn)動(dòng)會(huì)在離子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)產(chǎn)生Hall 電流，從而導(dǎo)致雙極Hall 電場以及四級(jí)Hall 磁場的形成.目前普遍認(rèn)為Hall 效應(yīng)是快速重聯(lián)的充分條件（Birn et al.,2001），但是否是必要條件還存在一定的爭議（Bessho and Bhattacharjee,2005; Liu et al.,2017）.

圖1 Hall 重聯(lián)模型（修改自 Mozer et al.,2002）Fig.1 Hall Reconnection Model (modified from Mozer et al.,2002)

現(xiàn)階段，仍有許多關(guān)于磁場重聯(lián)的基礎(chǔ)問題需要回答，例如：磁場重聯(lián)是如何驅(qū)動(dòng)的？導(dǎo)致磁力線斷開的動(dòng)理學(xué)過程是什么（Burch et al.,2016a）？衛(wèi)星的原位觀測是研究磁場重聯(lián)重要且有效的方法，但卻非常依賴于衛(wèi)星的探測精度.2015 年磁層多尺度（Magnetospheric Multiscale,MMS）衛(wèi)星發(fā)射之前，對(duì)磁場重聯(lián)中電子尺度物理過程的直接觀測十分困難，衛(wèi)星觀測研究主要集中在流體尺度和離子尺度.而MMS 衛(wèi)星的順利發(fā)射開啟了電子尺度研究的新紀(jì)元.MMS 星簇由四顆相同的衛(wèi)星組成，它們?cè)诳臻g中組成四面體隊(duì)形進(jìn)行探測，衛(wèi)星間距僅為幾千米到幾十千米，遠(yuǎn)小于之前在磁層中探測的Cluster 星簇的衛(wèi)星間距，可以提供前所未有的高精度數(shù)據(jù).MMS 衛(wèi)星的主要科學(xué)目標(biāo)是揭示磁重聯(lián)的電子尺度物理過程.由于磁力線最終在電子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)斷開并重新連接，且伴隨著劇烈的磁能釋放，故電子尺度的物理過程是近年來磁重聯(lián)研究非常熱門的方向之一.

本文主要依據(jù)南昌大學(xué)空間物理團(tuán)隊(duì)對(duì)磁場重聯(lián)中電子尺度的物理過程所做的研究為主線進(jìn)行總結(jié)概述.主要內(nèi)容分為以下幾個(gè)部分：（1）電子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)的電子動(dòng)理學(xué)對(duì)重聯(lián)率和能量耗散的影響；（2）離子擴(kuò)散區(qū)中電子尺度的相干結(jié)構(gòu)和等離子體波動(dòng)；（3）重聯(lián)出流區(qū)中的電流片和磁通量繩在湍流的演化過程以及電子加速方面的作用；（4）磁場重聯(lián)在電子尺度的觸發(fā)機(jī)制，以及重聯(lián)中的跨尺度耦合.

1 電子擴(kuò)散區(qū)

如圖1 所示，電子擴(kuò)散區(qū)是電子與磁場解耦的區(qū)域，磁力線最終也是在該區(qū)域內(nèi)完成“斷開”和“重聯(lián)”，因此該區(qū)域被認(rèn)為是理解磁場重聯(lián)如何發(fā)生的關(guān)鍵區(qū)域.

首先，電子擴(kuò)散區(qū)被認(rèn)為是磁場重聯(lián)中能量耗散的關(guān)鍵區(qū)域.2011 年，Zenitani 等（2011）提出了一個(gè)新的物理量De～J·(E+Ve×B)來表示磁場能量的耗散，其正值表示磁場能量轉(zhuǎn)化為等離子體能量，負(fù)值表示等離子體的能量轉(zhuǎn)化為磁場能量.此后，這一參數(shù)被廣泛用于MMS 的觀測，來確定能量耗散發(fā)生的區(qū)域，并被認(rèn)為是判斷電子擴(kuò)散區(qū)的一個(gè)重要指標(biāo)（Burch er al.,2016; Torbert et al.,2018; Zhou et al.,2019a）.研究發(fā)現(xiàn)，在導(dǎo)向場較小的情況下，電子擴(kuò)散區(qū)的能量耗散主要由垂直電場提供，而當(dāng)導(dǎo)向場較大時(shí)，平行電場在能量耗散過程中起主導(dǎo)作用（Eriksson et al.,2016；Chen et al.,2019；Zhou et al.,2019a）.例如 Zhou 等（2019a）在地球磁尾的弱導(dǎo)向場重聯(lián)中，發(fā)現(xiàn)電子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)由反平行方向運(yùn)動(dòng)的電子攜帶的平行電流明顯強(qiáng)于垂直方向的電流，對(duì)能量耗散起主要作用，并且這些電子很可能被沿導(dǎo)向場的平行電場所加速.

根據(jù)是否影響重聯(lián)和能量耗散的正負(fù)等特征，人們通常把電子擴(kuò)散區(qū)分為兩部分：內(nèi)電子擴(kuò)散區(qū)[J·(E+Ve×B)> 0]和外電子擴(kuò)散區(qū)[J·(E+Ve×B)<0].內(nèi)電子擴(kuò)散區(qū)包裹著重聯(lián)X 線，電子呈現(xiàn)非回旋性，磁能轉(zhuǎn)化為電子能量，其寬長比和重聯(lián)率相關(guān)；外電子擴(kuò)散區(qū)可以在重聯(lián)下游方向延伸幾十個(gè)離子慣性長度（Phan et al.,2007; Shay et al.,2007），并且電子能量轉(zhuǎn)化為場的能量，其空間尺度和重聯(lián)率無關(guān).最近通過MMS 衛(wèi)星觀測研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)電子擴(kuò)散區(qū)的尺度和結(jié)構(gòu)可能與我們的傳統(tǒng)認(rèn)知大相徑庭.如圖2 所示，在具有中等導(dǎo)向場的非對(duì)稱磁場重聯(lián)中，電子擴(kuò)散區(qū)可以在X 線下游延伸至少20 個(gè)離子慣性長度（Zhong et al.,2020a）.該電子擴(kuò)散區(qū)和此前認(rèn)為的內(nèi)電子擴(kuò)散區(qū)有類似的特征，且具有強(qiáng)烈的能量耗散.因此，該電子擴(kuò)散區(qū)提供的整體能量耗散要比之前認(rèn)為的更多.區(qū)別于傳統(tǒng)的離子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)僅有一個(gè)電子擴(kuò)散區(qū)的圖像，Zhong 等（2022）通過MMS 衛(wèi)星觀測首次報(bào)道了一個(gè)離子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)沿電流片法向同時(shí)存在多個(gè)電子擴(kuò)散區(qū)的事件，還同時(shí)觀測到這些電子擴(kuò)散區(qū)附近存在多個(gè)電子流渦旋和對(duì)應(yīng)的磁洞磁峰結(jié)構(gòu).他們證實(shí)了這些現(xiàn)象是三維情況下傾斜撕裂模不穩(wěn)定性（Liu et al.,2013）和電子Kelvin-Helmholtz 不穩(wěn)定性跨尺度耦合的結(jié)果.這些研究結(jié)果打破了我們對(duì)電子擴(kuò)散區(qū)的固有印象，其形成和能量耗散機(jī)制可能涉及到多種不穩(wěn)定性的協(xié)同作用，還需要我們進(jìn)一步的研究.

圖2 MMS 衛(wèi)星觀測到的延伸的電子擴(kuò)散區(qū)示意圖，di是離子慣性長度（修改自Zhong et al.,2020a）Fig.2 Schematic diagram of the extended electron diffusion region observed by the MMS satellite (modified from Zhong et al.,2020a)

研究電子速度相空間分布是研究電子動(dòng)理學(xué)的一種有效且直觀的方法.Hesse 等（2014）通過粒子網(wǎng)格模擬（particle-in-cell,PIC）發(fā)現(xiàn)，由于有限回旋半徑效應(yīng)，電子在垂直于磁場方向的速度相空間中呈新月形分布.MMS 衛(wèi)星在磁層頂非對(duì)稱重聯(lián)的電子擴(kuò)散區(qū)觀測中首次證實(shí)了這一典型的電子分布特征（Burch et al.,2016b），并以這種速度分布函數(shù)作為電子擴(kuò)散區(qū)觀測的直接證據(jù)之一.后來，新月形電子分布在磁尾的反平行重聯(lián)電子擴(kuò)散區(qū)中也被觀測到.有意思的是，即使在電磁場擾動(dòng)很大的情況下，重聯(lián)點(diǎn)附近的電子分布函數(shù)仍然呈現(xiàn)新月形分布（Torbert et al.,2018），這表明在重聯(lián)點(diǎn)附近的電子動(dòng)理學(xué)不受高頻電磁擾動(dòng)的影響.此外，電子在平行于磁場方向的速度空間中也會(huì)出現(xiàn)新月形分布（Burch and Phan,2016; Burch et al.,2016b;Shay et al.,2016; Dong et al.,2020），這是由于電子出流沿重聯(lián)X 線向外流動(dòng)導(dǎo)致的.在地球磁尾，Zhou 等（2019a）進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，垂直方向的電子新月形分布往往只存在于電子擴(kuò)散區(qū)邊緣，而擴(kuò)散區(qū)內(nèi)部由于磁場的曲率半徑極小導(dǎo)致了電子回旋相位的散射，使得電子在垂直于磁場方向呈現(xiàn)各向同性，因此新月形分布不再存在.針對(duì)于同一事件，Li 等（2019）認(rèn)為電子在南北半球的反復(fù)彈跳運(yùn)動(dòng)是導(dǎo)致電子擴(kuò)散區(qū)的中心區(qū)域呈現(xiàn)出各向同性分布的原因，并且新月形分布與Hall 電場以及電子曲折運(yùn)動(dòng)有密切關(guān)系.我們認(rèn)為，電子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)的不同位置可能呈現(xiàn)出不同的電子速度分布，并且新月形分布受多個(gè)因素的影響，因此，將新月形分布為電子擴(kuò)散區(qū)的判斷條件之一時(shí)應(yīng)考慮個(gè)例的特殊性.

在無碰撞磁場重聯(lián)中，等離子體波被認(rèn)為可以提供必要的反常電阻來打破磁力線凍結(jié)條件，在觸發(fā)重聯(lián)中起關(guān)鍵作用.在電子擴(kuò)散區(qū)中，非麥克斯韋分布的電子速度分布函數(shù)激發(fā)了多種等離子體波動(dòng).Cao 等（2017）通過MMS 衛(wèi)星的高精度數(shù)據(jù)，在電子擴(kuò)散區(qū)的內(nèi)部發(fā)現(xiàn)大振幅的哨聲波，這些哨聲波由電子垂直溫度各向異性激發(fā)，以較小的傳播角從X 線向外傳播，對(duì)磁場重聯(lián)的電子尺度動(dòng)理學(xué)有顯著影響.不只是哨聲波，其他波動(dòng)在電子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)也被觀測到，例如在電子擴(kuò)散區(qū)附近產(chǎn)生電子渦旋并有效地加熱電子的低混雜漂移波（Chen et al.,2020）或者大振幅的靜電波（Khotyaintsev et al.,2016; Graham et al.,2017; Li et al.,2020; Yu et al.,2021）等.這些波動(dòng)通常由電子束、電子離子相互作用或電子新月形分布等相關(guān)的不穩(wěn)定性激發(fā)，被認(rèn)為可以在電子擴(kuò)散區(qū)有效地加熱電子、導(dǎo)致電子散射擴(kuò)散和提供顯著的反常效應(yīng).

重聯(lián)率是磁場重聯(lián)的重要參數(shù)，反映了磁場重聯(lián)的快慢程度，一直以來都是磁場重聯(lián)研究的核心問題.最常見的表征重聯(lián)率的參數(shù)就是直接測量X線上的垂直重聯(lián)平面方向的電場.之前的模擬發(fā)現(xiàn)，無論是反平行重聯(lián)（Hesse and Winske,1998）還是導(dǎo)向場重聯(lián)（Pritchett and Coroniti,2004; Pritchett,2005），在電子擴(kuò)散區(qū)中，重聯(lián)電場主要由廣義歐姆定律中的電子壓強(qiáng)梯度項(xiàng)平衡.Torbert 等（2016）通過對(duì)Burch 等（2016b）報(bào)道的磁層頂電子擴(kuò)散區(qū)計(jì)算廣義歐姆定律各項(xiàng)后發(fā)現(xiàn)，該電子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)電子壓強(qiáng)張量項(xiàng)和電子慣性項(xiàng)都起作用，其中電子壓強(qiáng)張量項(xiàng)占主導(dǎo)，但它們并不能完全平衡非理想電場，這一區(qū)域內(nèi)的波粒相互作用提供的反常電阻可能提供了額外的重聯(lián)電場.而Egedal 等（2019）結(jié)合MMS 衛(wèi)星觀測和粒子模擬，對(duì)一個(gè)磁尾重聯(lián)擴(kuò)散區(qū)內(nèi)的重聯(lián)電場進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)是電子壓強(qiáng)張量的非對(duì)角項(xiàng)破壞了磁凍結(jié)條件.

電子擴(kuò)散區(qū)的寬長比也是表征重聯(lián)率的一種方式.Torbert 等（2018）估算了電子擴(kuò)散區(qū)的寬長比為0.1～0.2，與理論預(yù)測的快速重聯(lián)率一致.然而在Zhong 等（2020a）報(bào)道的延伸的電子擴(kuò)散區(qū)事件中，該延伸的電子擴(kuò)散區(qū)的寬長比非常小，約為0.004 5；但奇怪的是重聯(lián)率依然很快，約為0.1.這表明這種延伸的電子擴(kuò)散區(qū)并沒有控制重聯(lián)率.目前的理論還不能解釋這種電子擴(kuò)散區(qū)的形成，但這種延伸的電子擴(kuò)散區(qū)的形成可能與導(dǎo)向場大小和非對(duì)稱效應(yīng)相關(guān).

MMS 衛(wèi)星提供的高精度數(shù)據(jù)為我們揭示了很多電子擴(kuò)散區(qū)的新特征，但到目前為止，仍有許多關(guān)于電子擴(kuò)散區(qū)的關(guān)鍵問題沒有弄清楚，例如：電子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)破壞電子凍結(jié)條件的物理機(jī)制到底是什么？用電子擴(kuò)散區(qū)的寬長比估算的重聯(lián)率準(zhǔn)確嗎？這些問題還需要進(jìn)一步的結(jié)合觀測和模擬來給出答案.

2 離子擴(kuò)散區(qū)

由于離子擴(kuò)散區(qū)的尺度較大，在之前的研究中，Hall 電磁場的存在已經(jīng)被諸多衛(wèi)星觀測所證實(shí)，例如Geotail 衛(wèi)星（Deng et al.,2001）和Wind 衛(wèi)星（?ieroset et al.,2001）等，并且認(rèn)為Hall 場一般是離子尺度的結(jié)構(gòu).Wang 等（2017）利用MMS 衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)，首次揭示了在非對(duì)稱無碰撞磁重聯(lián)中電子尺度的Hall 磁場.除此之外，離子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)還存在哪些電子尺度的物理特征呢？Zhou 等（2019b）詳細(xì)地研究了離子擴(kuò)散區(qū)中存在的電子尺度的動(dòng)理學(xué)過程.例如：電子溫度在遠(yuǎn)離中性片時(shí)呈各向異性，在中性片內(nèi)呈各向同性.其中，電子的各向同性分布很可能是擴(kuò)散區(qū)中心高度扭曲的磁力線導(dǎo)致的投擲角散射的結(jié)果，并且電子各向同性區(qū)域的厚度非常依賴于其到重聯(lián)X 線的水平距離.另外，電流出現(xiàn)了分叉結(jié)構(gòu)，而且能量轉(zhuǎn)換和能量耗散主要發(fā)生在分叉電流的峰值處，而不是電流片的中心.這種分叉電流在地球磁尾很常見，之前人們利用其他衛(wèi)星也有觀測到（Hoshino et al.,1996; Runov et al.,2003）.它并不是磁場重聯(lián)的一種獨(dú)有特征，這種結(jié)構(gòu)很可能是電子的曲折運(yùn)動(dòng)造成的.

在離子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)觀測到的一系列電子尺度的相干結(jié)構(gòu)對(duì)能量轉(zhuǎn)化和耗散十分重要.以次級(jí)磁通量繩為例，其產(chǎn)生機(jī)制主要有兩種，一種是拉伸的薄電流片中的撕裂模不穩(wěn)定性（Daughton et al.,2006；Drake et al.,2006）.這種位于X 點(diǎn)附近的磁通量繩被Cluster 衛(wèi)星的觀測所證實(shí)（Wang et al.,2010）.另外，Wang 等（2016）通過Cluster 衛(wèi)星觀測，發(fā)現(xiàn)重聯(lián)擴(kuò)散區(qū)內(nèi)充滿了由電子尺度薄電流片斷裂產(chǎn)生的離子尺度次級(jí)磁通量繩.同時(shí)他們還發(fā)現(xiàn)多個(gè)磁通量繩之間可以兩兩合并，合并對(duì)應(yīng)的重聯(lián)發(fā)生在電子尺度電流片上.由于磁通量繩不斷地產(chǎn)生與合并，磁場重聯(lián)最終驅(qū)動(dòng)了等離子體湍流的演化，從而可以更有效地釋放磁能并加速加熱等離子體；另外一種機(jī)制是電子流剪切能夠驅(qū)動(dòng)Kelvin-Helmholtz 不穩(wěn)定性，它的非線性演化可以導(dǎo)致電子流渦旋，從而扭曲磁力線形成壓縮的薄電流層，并觸發(fā)次級(jí)磁重聯(lián)產(chǎn)生次級(jí)磁通量繩（Fermo et al.,2012; Huang et al.,2015）.Zhong 等（2018）通過MMS 衛(wèi)星給出了第一個(gè)原位觀測證據(jù)，證明了重聯(lián)產(chǎn)生的強(qiáng)電子剪切流導(dǎo)致了電子Kelvin-Helmholtz渦旋，并在主重聯(lián)的離子擴(kuò)散區(qū)中觸發(fā)了次級(jí)重聯(lián)，從而形成了次級(jí)通量繩.這一結(jié)果有力地說明了電子Kelvin-Helmholtz 不穩(wěn)定性是重聯(lián)擴(kuò)散區(qū)能量耗散的重要機(jī)制之一.

除此之外，Zhong 等（2019a）首次報(bào)道了磁場重聯(lián)擴(kuò)散區(qū)內(nèi)存在動(dòng)理學(xué)尺度的電子渦旋磁洞（如圖3 所示）.該磁洞可能由Biermann 電池效應(yīng)產(chǎn)生的電子孤立波激發(fā)，然后通過被捕獲電子的抗磁化漂移電流演化形成.由于該磁洞內(nèi)存在較強(qiáng)的電流和非理想電場，因此為磁場重聯(lián)提供了除電子擴(kuò)散區(qū)以外的能量耗散通道.

圖3 離子擴(kuò)散區(qū)中電子尺度磁洞的示意圖.（a）MMS 穿過兩個(gè)磁通量繩之間的重聯(lián)X 線的軌跡示意圖；（b）一個(gè)放大的電子漩渦磁洞的示意圖（修改自Zhong et al.,2019a）Fig.3 Schematic of the electron-scale magnetic holes in the ion diffusion region.(a) A sketch of MMS trajectory through the X line between the two FRs;(b) A zoomedin view of the electron vortex magnetic hole (modified from Zhong et al.,2019a)

等離子體波動(dòng)可能在擴(kuò)散區(qū)中對(duì)粒子動(dòng)理學(xué)的改變和能量耗散起重要作用（Khotyaintsev et al.,2019）.Zhou 等（2014）利用Cluster 衛(wèi)星觀測對(duì)磁尾21 個(gè)重聯(lián)離子擴(kuò)散區(qū)中的低混雜波進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，研究其空間分布和作用.結(jié)果發(fā)現(xiàn)低混雜波的振幅和等離子體β值密切相關(guān)，并且低混雜波的強(qiáng)度與高能電子率以及重聯(lián)率都呈正相關(guān).除了低混雜波外，Zhou 等（2016）利用MMS 衛(wèi)星數(shù)據(jù)，還在日側(cè)磁層頂?shù)碾x子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)觀測到了高頻靜電波，在磁鞘側(cè)分界線區(qū)域觀測到了電子回旋諧波，在電流片中觀測到了場向極化波，這些高頻波對(duì)能量耗散的貢獻(xiàn)不可忽視.Khotyaintsev 等（2020）研究了擴(kuò)散區(qū)內(nèi)的大振幅德拜尺度的靜電波，發(fā)現(xiàn)它們主要是Buneman 波和電子束激發(fā)的波，它們的協(xié)同作用可以有效地導(dǎo)致電子的加熱.Zhong 等（2021a）研究了非對(duì)稱重聯(lián)擴(kuò)散區(qū)中的哨聲波和寬頻靜電波，發(fā)現(xiàn)主要分布在重聯(lián)磁分界線區(qū)域的平行哨聲波和主要分布在電流片中心區(qū)域的傾斜哨聲波以及寬頻靜電波是通過電子Pacman 分布演化聯(lián)系在一起，而不是通過波—波相互作用.以上結(jié)果有利于我們理解等離子體波動(dòng)在離子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)的演化及其對(duì)應(yīng)的動(dòng)理學(xué)過程，有助于我們理解波動(dòng)在磁場重聯(lián)能量耗散中的作用.

3 重聯(lián)出流區(qū)

出流區(qū)中經(jīng)常觀測到大小不一的磁通量繩，它們的演化也和電子尺度的物理過程緊密相關(guān).Zhou等（2017）在磁層頂發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)大尺度磁通量繩的合并（如圖4 所示）.MMS 衛(wèi)星在合并過程中觀測到了次級(jí)電子擴(kuò)散區(qū)，這說明電子擴(kuò)散區(qū)不局限于主重聯(lián)X 線附近.另外，在電子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)了超熱電子的產(chǎn)生，說明磁通量繩的合并有可能有效加速電子.除此之外，地球磁尾的磁通量繩會(huì)與地球磁場發(fā)生電子尺度的磁場重聯(lián)（Man et al.,2018,2020）.Man 等（2018）通過對(duì)地球磁尾地向傳播的磁通量繩邊緣的電子尺度的電流片進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)該電子尺度的電流片是磁通量繩和地球偶極磁場發(fā)生重聯(lián)的電流片（如圖5 所示），這一過程耗散了磁通量繩前端的磁場能量.最近，Zhong 等（2021b）還報(bào)道了發(fā)生在離子尺度磁通量繩邊緣的三維電子重聯(lián).這種三維電子重聯(lián)展示了一種新的三維磁通量繩的演化方式，即磁通量繩通過核心場重聯(lián)被消耗.結(jié)合前面提到的磁尾離子擴(kuò)散區(qū)磁通量繩的合并現(xiàn)象，我們發(fā)現(xiàn)大尺度磁通量繩的演化過程與電子尺度重聯(lián)電流片密切相關(guān)，這一過程意味著可能存在一種跨尺度的磁能釋放機(jī)制，即流體尺度或離子尺度上發(fā)生的重聯(lián)產(chǎn)生一系列離子尺度的磁通量繩，將磁能儲(chǔ)存于磁通量繩內(nèi)，然后離子尺度的磁通量繩之間或離子尺度磁通量繩與背景磁場發(fā)生電子尺度的磁場重聯(lián)，最終導(dǎo)致磁能的釋放和粒子加速.

圖4 （a～c）表示MMS 衛(wèi)星在02:24～02:18 UT 時(shí)間段內(nèi)觀測到的磁場三分量、總磁場以及離子流；（d）MMS 衛(wèi)星相對(duì)于磁層頂和磁通量繩的運(yùn)動(dòng)軌跡；（e）描述了圖（d）中顯示的虛擬MMS 衛(wèi)星在兩種不同情況下記錄的BX 的變化：上面板是沒有耗散的情況，下面板是兩個(gè)磁通量繩之間有耗散的情況.（f）兩個(gè)磁通量繩在GSM 坐標(biāo)下的磁力線的三維示意圖；（g）在L-N 平面上的磁通量繩合并和MMS 運(yùn)動(dòng)軌跡的放大二維視圖（修改自Zhou et al.,2017）Fig.4 (a～c) Show the magnetic field and ion bulk velocity observed by MMS2 between 02:14 and 02:18 UT.(d) A schematic of MMS orbits relative to the magnetopause and magnetic flux ropes.(e) Depicts the variations of BX recorded by the virtual MMS spacecraft shown in (d) for two different cases:the upper panel is the case without dissipation while the lower panel is the case with dissipation between the two magnetic flux ropes.(f) A 3D schematic of field lines of two magnetic flux ropes in GSM coordinates;(g) A zoomed-in 2D view of the magnetic flux ropes coalescence and MMS configuration in the L-N plane(modified from Zhou et al.,2017)

圖5 地向傳播的磁通量繩和地磁場之間的重聯(lián)區(qū)域的MMS 軌跡示意圖.（a）在GSM 坐標(biāo)下的X-Z 平面上的大尺度視圖；（b）在LMN 坐標(biāo)系下的L-N 平面上的重聯(lián)擴(kuò)散區(qū)域的放大視圖（修改自Man et al.,2018）Fig.5 Schematics of MMS trajectory across the reconnection region between the magnetic flux rope and the geomagnetic field.(a) Large-scale view in the X-Z plane in GSM coordinates.(b) Zoomed-in view of the reconnection diffusion region in the L-N plane in LMN coordinate system (modified from Man et al.,2018)

在重聯(lián)過程中，高能電子經(jīng)常在中小尺度的磁通量繩中被觀測到，而一個(gè)長期存在的問題是這些高能電子是如何產(chǎn)生的? Huang 等（2012）利用Cluster 衛(wèi)星數(shù)據(jù)，在地球磁尾重聯(lián)擴(kuò)散區(qū)觀測到了次級(jí)磁通量繩以及次級(jí)重聯(lián)電流片，研究發(fā)現(xiàn)高能電子首先在電流片中被加速，然后被磁通量繩捕獲并通過Fermi 和Betatron 機(jī)制進(jìn)一步被加速.而Zhou 等（2018）利用三維大尺度粒子模擬在研究磁尾重聯(lián)區(qū)附近的電子加速時(shí)發(fā)現(xiàn)，小尺度的磁通量繩在電子加速過程中起著重要的作用，并且平行電場加速在這一過程中占主導(dǎo).那么磁通量繩內(nèi)部的高能電子究竟是外部傳入還是自身產(chǎn)生的呢？這一問題一直沒有直接的觀測證據(jù).2020 年，Zhong等（2020b）首次從觀測的角度定量地證明了次級(jí)磁通量繩內(nèi)部可以導(dǎo)致局地的電子加速.通過對(duì)比磁通量繩內(nèi)外的高能電子通量，他們發(fā)現(xiàn)內(nèi)部高能電子通量高于外部，并且磁通量繩內(nèi)部高能電子主要由Betatron 加速產(chǎn)生，而Fermi 加速只產(chǎn)生了熱電子.此外，Zhong 等（2020b）還證明了高能電子在很短的時(shí)間內(nèi)（小于1 s）就可以被加速幾十keV 從而達(dá)到100 keV 的能量.這些研究說明離子尺度的磁通量繩對(duì)重聯(lián)中的電子加速十分重要，其加速電子的方式有多種，包括平行電場加速、Fermi 加速和Betatron 加速.

重聯(lián)鋒面通常鑲嵌在重聯(lián)的高速出流中，是地球磁尾常見的相干磁結(jié)構(gòu)之一，通常被認(rèn)為是瞬態(tài)磁場重聯(lián)的產(chǎn)物（Zhou et al.,2011; Fu et al.,2013），或重聯(lián)出流和背景等離子體之間相互作用引起的交換不穩(wěn)定性或動(dòng)理學(xué)氣球模不穩(wěn)定性的產(chǎn)物（Pritchett et al.,2014; Liu et al.,2018a），或地向運(yùn)動(dòng)的磁通量繩前端被侵蝕（Lu et al.,2015; Man et al.,2018）后的產(chǎn)物.重聯(lián)鋒面對(duì)應(yīng)著各種等離子體不穩(wěn)定性，比如由密度梯度和電子噴流驅(qū)動(dòng)的低混雜漂移波（Zhou et al.,2009; Pan et al.,2018），可以產(chǎn)生動(dòng)理學(xué)尺度磁洞的電子鏡像模不穩(wěn)定性（Liu et al.,2021）以及電子溫度各向異性激發(fā)的哨聲波（Khotyaintsev et al.,2011）等.在重聯(lián)鋒面附近還可以觀測到強(qiáng)電流和電場，例如在重聯(lián)鋒面的切向平面中觀測到的由E×B漂移導(dǎo)致的強(qiáng)電流，該電流對(duì)應(yīng)著明顯的焦耳加熱，對(duì)鋒面處的能量轉(zhuǎn)換十分重要（Liu et al.,2018b）；Zhou 等（2019c）報(bào)道了重聯(lián)鋒面及通量堆積區(qū)中存在多個(gè)電子尺度的垂直電流片的事件（如圖6 所示），這些電子尺度的電流片對(duì)應(yīng)著較強(qiáng)的磁能釋放.它們可能是爆發(fā)性整體流中的湍流在非線性演化中形成的，對(duì)與爆發(fā)性整體流相關(guān)的能量轉(zhuǎn)化有重要作用.那么重聯(lián)鋒面上的能量轉(zhuǎn)化有什么特征呢？Zhong 等（2019b）通過對(duì)重聯(lián)鋒面上的能量轉(zhuǎn)化與耗散的統(tǒng)計(jì)研究發(fā)現(xiàn)，重聯(lián)鋒面上主要是磁能向等離子體能量轉(zhuǎn)化，并且離子在整個(gè)重聯(lián)鋒面上獲得能量，而電子在重聯(lián)鋒面的前端獲得能量，在后端失去能量.除此之外，重聯(lián)鋒面處經(jīng)常能觀測到高能電子.Ma 等（2020）利用MMS 衛(wèi)星的高精度數(shù)據(jù)，量化計(jì)算了122 個(gè)重聯(lián)鋒面處Fermi、Betatron 以及平行電場三種加速機(jī)制的加速率.結(jié)果表明Betatron加速在重聯(lián)鋒面上占主導(dǎo)作用，F(xiàn)ermi 加速的加速率小于Betatron 加速，但是存在于更大的空間上；平行電場加速的加速率最小，可以忽略不計(jì).這也很好理解，重聯(lián)鋒面處最顯著的特點(diǎn)就是磁場堆積，而電子在鋒面處磁化，根據(jù)第一絕熱不變量守恒，磁場變強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致Betatron 加速.

圖6 在GSM 坐標(biāo)系下，地球磁尾X-Z 平面和X-Y 平面中重聯(lián)鋒面和電子尺度電流片的示意圖（修改自Zhou et al.,2019c）Fig.6 Schematic diagram of the reconnection front and electron-scale current sheet in the Earth magnetotail in the X-Z plane and X-Y plane in the GSM coordination(modified from Zhou et al.,2019c)

地球磁層中的磁場重聯(lián)主要發(fā)生在磁層頂電流片和磁尾中性片這兩個(gè)大尺度電流片內(nèi).由于撕裂模不穩(wěn)定性或其他不穩(wěn)定性的影響，大尺度電流片會(huì)破碎，形成小尺度電流結(jié)構(gòu).MMS 衛(wèi)星的高精度數(shù)據(jù)為我們研究這些小尺度的電流結(jié)構(gòu)提供了可能.Man 等（2021）利用MMS 衛(wèi)星在磁層頂開展統(tǒng)計(jì)研究，發(fā)現(xiàn)在磁層頂邊界層存在大量電子尺度的強(qiáng)電流結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)對(duì)整個(gè)磁層頂邊界層的能量轉(zhuǎn)換和耗散有顯著的貢獻(xiàn)，這使得我們對(duì)磁層頂動(dòng)理學(xué)尺度結(jié)構(gòu)在太陽風(fēng)—磁層耦合過程中的重要性有了新的認(rèn)識(shí).而在地球磁尾的湍動(dòng)重聯(lián)出流區(qū)，Zhou 等（2021）報(bào)道了由主重聯(lián)驅(qū)動(dòng)的湍動(dòng)出流中發(fā)生的次級(jí)重聯(lián)事件.他們?cè)谕膭?dòng)出流區(qū)的大量電流絲中發(fā)現(xiàn)了14 個(gè)次級(jí)電子重聯(lián)，并且認(rèn)為這些出流區(qū)中的次級(jí)重聯(lián)為主重聯(lián)提供了有效的磁能釋放通道，這一結(jié)論與我們對(duì)日側(cè)磁層頂邊界層的強(qiáng)能量耗散事件的統(tǒng)計(jì)結(jié)果相同（Man et al.,2022），這也說明了動(dòng)理學(xué)尺度結(jié)構(gòu)在磁層的整體能量轉(zhuǎn)化中起重要作用.

4 討論

長期以來，磁重聯(lián)被認(rèn)為是等離子體湍流在動(dòng)理學(xué)尺度耗散能量的重要機(jī)制.2018 年，Phan 等（2018）首次提出了“唯電子重聯(lián)（electron-only reconnection）”的概念.通過MMS 衛(wèi)星的高精度數(shù)據(jù)，他們發(fā)現(xiàn)唯電子重聯(lián)中電子尺度的重聯(lián)電流片并未鑲嵌在更厚的離子尺度電流片中，并且沒有出現(xiàn)明顯的離子出流，這些都與標(biāo)準(zhǔn)重聯(lián)不同.他們猜測這是由于重聯(lián)電流片的長度太小從而使得離子無法參與重聯(lián).這是一種新的重聯(lián)模式，即磁場能量可以在沒有離子耦合的電子尺度電流片中被轉(zhuǎn)化和耗散.隨后，這種重聯(lián)方式在日側(cè)磁層頂和磁尾中都有被觀測到（Man et al.,2018,2020; Zhou et al.,2021）.Huang 等（2021）發(fā)現(xiàn)在磁層頂具有“唯電子重聯(lián)”特征的磁場重聯(lián)也可以發(fā)生在離子尺度的電流片上，這一結(jié)論與地球磁尾“唯電子重聯(lián)”的統(tǒng)計(jì)結(jié)果相一致（Hubbert et al.,2022），這為我們理解“唯電子重聯(lián)”提出了新的挑戰(zhàn).就目前而言，唯電子重聯(lián)中還有許多問題需要進(jìn)一步研究，例如唯電子重聯(lián)與傳統(tǒng)重聯(lián)相比，在整個(gè)磁層和磁鞘湍流中對(duì)能量耗散的貢獻(xiàn)比是多少？以及離子無法參與磁重聯(lián)的根本原因是什么？

地球磁尾也是能量爆發(fā)釋放的一個(gè)重要場所，然而，受限于衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的精度，磁場重聯(lián)的觸發(fā)機(jī)制一直存在爭議.目前，地球磁尾磁場重聯(lián)的驅(qū)動(dòng)方式有兩種，一種是離子物理過程驅(qū)動(dòng)的磁場重聯(lián)（Sitnov and Schindler,2010; Sitnov and Swisdak,2011），另外一種是強(qiáng)驅(qū)動(dòng)環(huán)境中電子動(dòng)理學(xué)觸發(fā)的磁場重聯(lián).Wang 等（2018）報(bào)道了地球磁尾宏觀尺度電流片中發(fā)生的電子尺度磁場重聯(lián).該重聯(lián)過程中沒有觀測到任何與離子相關(guān)的重聯(lián)特征，但是電子被加速和加熱，表現(xiàn)出了典型的電子擴(kuò)散區(qū)的特征.2020 年，Wang 等（2020）進(jìn)一步比較研究了標(biāo)準(zhǔn)重聯(lián)和唯電子重聯(lián)的電子擴(kuò)散區(qū)后，提出磁場重聯(lián)觸發(fā)是由電子主導(dǎo)的電子相階段演化到由離子主導(dǎo)的離子相階段.Lu 等（2020）結(jié)合MMS 衛(wèi)星觀測和粒子模擬，發(fā)現(xiàn)了地球磁尾磁場重聯(lián)的觸發(fā)過程起始于由電子動(dòng)理學(xué)主導(dǎo)的電子尺度區(qū)域的證據(jù)，這與觀測的結(jié)論是一致的.在地球磁尾磁島合并的過程中，Man 等（2018）在對(duì)地球磁尾地向傳播的磁通量繩與地球偶極子場之間重聯(lián)的研究中發(fā)現(xiàn)，該重聯(lián)也是唯電子重聯(lián).最近，Yi等（2022）利用全粒子模擬重現(xiàn)了磁島合并中的唯電子重聯(lián).他們發(fā)現(xiàn)在唯電子重聯(lián)過程中，離子仍然與重聯(lián)電場相互作用，只是離子出流需要足夠的時(shí)間來響應(yīng)重聯(lián).以上有關(guān)唯電子重聯(lián)和標(biāo)準(zhǔn)重聯(lián)的研究表明，唯電子重聯(lián)與重聯(lián)的演化時(shí)間有關(guān)，是標(biāo)準(zhǔn)重聯(lián)的早期階段，也就是說標(biāo)準(zhǔn)重聯(lián)是一個(gè)從“唯電子重聯(lián)”發(fā)展到“離子重聯(lián)”的過程.這些結(jié)果為唯電子重聯(lián)提供了新見解，也為我們研究磁場重聯(lián)觸發(fā)問題提供了新的思路.

關(guān)于電子尺度物理過程的另一個(gè)重要前沿問題是：磁場重聯(lián)中的能量如何實(shí)現(xiàn)跨尺度傳輸？不同尺度的物理過程在磁重聯(lián)中是如何耦合的？綜合前文提到的各種電子尺度的物理現(xiàn)象，我們發(fā)現(xiàn)磁層頂或磁尾大尺度電流片是由一系列小尺度的電流結(jié)構(gòu)組成，這些小尺度電流結(jié)構(gòu)內(nèi)可能會(huì)產(chǎn)生次級(jí)磁場重聯(lián)，使得磁場能量在電子尺度的電流片中被轉(zhuǎn)化和耗散.除此之外，電流片破碎的過程中也會(huì)形成磁通量繩，這些磁通量繩之間的相互作用會(huì)使得整個(gè)區(qū)域呈現(xiàn)出更加湍動(dòng)的狀態(tài)，使得能量從大尺度輸運(yùn)到小尺度，最終到達(dá)動(dòng)理學(xué)尺度.但這一問題目前仍然沒有系統(tǒng)性的結(jié)論，需要進(jìn)一步研究.

5 小結(jié)

磁場重聯(lián)是將磁能快速轉(zhuǎn)化為等離子體能量的一種有效機(jī)制，而磁場重聯(lián)中電子尺度的物理過程對(duì)理解重聯(lián)觸發(fā)和能量快速釋放十分重要.利用MMS 衛(wèi)星提供的高精度數(shù)據(jù)，人們近年來對(duì)磁重聯(lián)電子尺度物理過程的認(rèn)識(shí)有了很大進(jìn)步.電子擴(kuò)散區(qū)不再是傳統(tǒng)圖像中的單一結(jié)構(gòu)，而是在沿出流和入流方向都會(huì)出現(xiàn)多層結(jié)構(gòu)，如沿出流方向會(huì)出現(xiàn)內(nèi)電子擴(kuò)散區(qū)和外電子擴(kuò)散區(qū)，沿入流方向由于傾斜撕裂模的作用會(huì)出現(xiàn)多個(gè)內(nèi)電子擴(kuò)散區(qū).但是電子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)是否需要反常電阻來提供重聯(lián)所需的電場，或者說在電子動(dòng)量方程里重聯(lián)電場由哪一項(xiàng)平衡的問題依然沒有解決.在離子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)，磁通量繩和電子渦旋磁洞可能對(duì)能量耗散起重要作用，而電子Kelvin-Helmholtz 不穩(wěn)定性通過誘發(fā)次級(jí)重聯(lián)，也是離子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)能量耗散的重要機(jī)制.在重聯(lián)出流區(qū)，磁通量繩和重聯(lián)鋒面的演化都對(duì)應(yīng)著電子尺度電流結(jié)構(gòu)的形成，它們對(duì)整個(gè)磁重聯(lián)的能量耗散可能起著舉足輕重的作用.電子尺度物理過程如何影響重聯(lián)在宏觀層面的演化，以及宏觀尺度的邊界條件如何影響電子尺度物理過程將是未來值得研究的關(guān)鍵問題.