偶極化鋒面上能量轉(zhuǎn)化與分配的模擬研究

黃宏韜， 於益群

北京航空航天大學(xué)空間與環(huán)境學(xué)院， 北京 100191

0 引言

在地球磁層，亞暴是一種重要的能量和物質(zhì)傳輸過(guò)程(Mauk and Meng, 1987).在亞暴期間，磁尾的磁場(chǎng)重聯(lián)過(guò)程產(chǎn)生高速的等離子體流，攜帶大量的高能粒子分別往地向和遠(yuǎn)磁尾傳播(Angelopoulos et al., 1994; Cao et al., 2006, 2010, 2013; Yu et al., 2017).其中，地向傳播的高速流的前端結(jié)構(gòu)被稱為偶極化鋒面(Nakamura et al., 2002; Fu et al., 2012, 2020a)，它是由熱而疏的等離子體與磁層中當(dāng)?shù)乩涠砻艿牡入x子體相遇而形成的間斷面，其主要特征是磁場(chǎng)Bz分量的陡峭增強(qiáng).研究人員通過(guò)衛(wèi)星觀測(cè)研究和數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，磁尾偶極化鋒面的形成可歸因于以下幾種機(jī)制：(1)磁尾等離子體高速流在地向傳播過(guò)程中的“剎車”機(jī)制(Birn et al., 2011)；(2)交換/氣球膜不穩(wěn)定性(Lu et al., 2013, 2015; Pritchett and Coroniti, 2011)；(3)撕裂膜不穩(wěn)定性(Sitnov et al., 2013)；(4)瞬態(tài)磁重聯(lián)(Fu et al., 2013; Xu et al., 2018b).

偶極化鋒面在磁尾動(dòng)力學(xué)過(guò)程以及磁層-電離層耦合過(guò)程中扮演著重要的角色，它不僅是多種等離子體波的激發(fā)場(chǎng)所(Deng et al., 2010; Huang et al., 2012; Zhou et al., 2012)，同時(shí)也具有轉(zhuǎn)化能量(Huang et al., 2015a)，傳輸磁通量(Ge et al., 2011; Liu et al., 2014)，以及加速粒子(Duan et al., 2014; Fu et al., 2020b)的作用.Fu等(2011)利用Cluster衛(wèi)星分析了在中磁尾觀測(cè)到的兩個(gè)偶極化鋒面引起的電子加速事件，發(fā)現(xiàn)在衰減型的偶極化鋒面上，電子加速主要是由Fermi加速機(jī)制引起的；而在增長(zhǎng)型的鋒面上，電子加速主要是由Betatron加速機(jī)制引起的.Xu等(2018a)通過(guò)Cluster衛(wèi)星觀測(cè)對(duì)一個(gè)磁尾偶極化鋒面事件中的電子加速進(jìn)行定量分析，發(fā)現(xiàn)偶極化鋒面能將等離子片中的電子通量增加10000倍，其能量能增加7.45倍.Zhou等(2010)對(duì)Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms (THEMIS)衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)離子在遇到鋒面上陡增的磁場(chǎng)Bz時(shí)，被其反射而獲得加速，這一離子加速機(jī)制隨后被Zhou等(2010)利用test-particle的數(shù)值模擬方法進(jìn)行驗(yàn)證，并獲得了與衛(wèi)星觀測(cè)一致的結(jié)果.Yi等(2019)通過(guò)particl-in-cell的數(shù)值模擬方法比較了磁重聯(lián)過(guò)程中偶極化鋒面處和X line處的能量轉(zhuǎn)換率，發(fā)現(xiàn)在偶極化鋒面處的能量轉(zhuǎn)換率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于X line處的，這意味著磁重聯(lián)過(guò)程中絕大部份的能量轉(zhuǎn)換都發(fā)生在偶極化鋒面上.然而，以往的研究大多關(guān)注的是偶極化鋒面上的粒子加速機(jī)制以及加速效率，對(duì)于一次偶極化鋒面事件所釋放的大量能量中，離子和電子各自能獲得多少能量并沒有一個(gè)詳細(xì)的研究.本文利用二維的particle-in-cell模擬方法，以Harris電流片為初態(tài)，研究磁尾磁重聯(lián)過(guò)程中產(chǎn)生的偶極化鋒面在地向傳播的過(guò)程中所釋放的能量里離子和電子的能量分配占比.

1 計(jì)算方法

本文采用particle-in-cell模擬方法來(lái)研究磁尾磁重聯(lián)中偶極化鋒面上的能量轉(zhuǎn)化與分配.模擬程序用隱式差分的方法求解電磁場(chǎng)的Maxwell方程與粒子的Vlasov方程(Markidis et al., 2010)，其表達(dá)式為

其中c為光速，ρ為粒子密度，fs為粒子的分布函數(shù)，qs為粒子的電荷量，s=i,e.i,e分別表示這種粒子為離子和電子.

模擬流程如圖1所示，初始時(shí)刻設(shè)定場(chǎng)和粒子的分布以及邊界條件；通過(guò)求解運(yùn)動(dòng)方程來(lái)推進(jìn)計(jì)算粒子的位置和速度；將電流和密度插值到網(wǎng)格點(diǎn)上；由Maxwell方程組解得網(wǎng)格點(diǎn)上的電場(chǎng)和磁場(chǎng)；將電場(chǎng)和磁場(chǎng)插值到粒子的位置.由此循環(huán).

圖1 模擬流程示意圖Fig.1 Schematic of the computational cycle

本研究的初始設(shè)置為定義在X-Z平面的Harris電流片:

(1)

其中，a=0.5di(di為離子慣性長(zhǎng)度)為Harris電流片的半寬度，B0為常數(shù).粒子數(shù)密度的分布為

(2)

其中，nb=0.1n0，nb是背景等離子體的密度，n0是形成電流片的粒子的密度.模擬區(qū)域尺寸為L(zhǎng)x×Lz=60di×30di，計(jì)算域內(nèi)共劃分1536×768組網(wǎng)格.時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為ωpit=0.125，其中ωpi為等離子體頻率.對(duì)于邊界條件的設(shè)置，在X方向采用了周期性邊界條件；在Z方向上，場(chǎng)的邊界條件為傳導(dǎo)邊界條件，即en×E=0,en·B=0；而粒子的邊界條件為反射邊界條件.模擬中采用的離子和電子的質(zhì)量比為100，其余參數(shù)設(shè)置適用于地球磁尾：初始反平行的磁場(chǎng)B0為30 nT，電子熱速度為vthe=0.045c(c為光速)，離子與電子的溫度比值為Ti=5Te，初始密度n0為0.05 cm-3.

同時(shí)，我們?cè)谀M區(qū)域的中心加了一個(gè)小擾動(dòng)來(lái)使得系統(tǒng)更快速地發(fā)生磁重聯(lián)，這種觸發(fā)重聯(lián)的方式被廣泛應(yīng)用于之前的研究(Lapenta et al., 2010; Huang et al., 2018, 2021).小擾動(dòng)的形式為

(3)

式中，LΔ=10a，而Az0=-0.4aB0.

2 模擬結(jié)果

2.1 偶極化鋒面的演化及能量分配

初始時(shí)刻模擬區(qū)域的中心被施加了一個(gè)小擾動(dòng)，打破了Harris電流片的平衡態(tài)，使得在模擬區(qū)域的中心形成了一個(gè)X line.圖2展示了磁重聯(lián)的重聯(lián)率，以X line處的重聯(lián)電場(chǎng)表征.當(dāng)重聯(lián)率開始增長(zhǎng)的時(shí)候(ωcit≥5)，原本反平行的磁場(chǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也開始變化.在X>0的模擬區(qū)域(本研究取+X方向?yàn)榈叵?，重聯(lián)產(chǎn)生的高速等離子體噴流在向出流區(qū)傳播的過(guò)程中形成了堆積區(qū)，其前端即產(chǎn)生了地向傳播的偶極化鋒面.隨著重聯(lián)率趨向穩(wěn)定(ωcit≥12)，鋒面也逐漸向出流區(qū)傳播.

圖2 重聯(lián)率的演化Fig.2 The evolution of reconnection rate

圖3(a—c)選取了三個(gè)具有代表性的時(shí)刻展示鋒面上Bz隨時(shí)間的演化過(guò)程.可以從圖中看出，鋒面在從磁重聯(lián)出流區(qū)向地球傳播的過(guò)程中，其磁場(chǎng)Bz分量不斷增強(qiáng)，且主要沿著Z=0傳播.圖3d顯示的是模擬區(qū)域中一個(gè)固定位置X=18di(圖3(a—c)中星號(hào)表示)所觀察到的Bz隨時(shí)間的演化.當(dāng)此固定位置遇到地向傳播的鋒面時(shí)，觀察到了鋒面上陡增的Bz，與地球磁尾真實(shí)衛(wèi)星遇到鋒面時(shí)所觀測(cè)到的現(xiàn)象相似(Fu et al., 2012, 2013)，這說(shuō)明我們的模擬能復(fù)現(xiàn)地球磁尾磁重聯(lián)產(chǎn)生的偶極化鋒面.

圖3 偶極化鋒面上磁場(chǎng)Bz分量的演化過(guò)程，選取三個(gè)具有代表性的時(shí)刻 (a) ωcit=19.49； (b) ωcit=21.44； (c) ωcit=23.38; 黑色線條代表磁力線；(d) 固定點(diǎn)((a—c)中X=18di黑色星號(hào)表示)所觀察到的磁場(chǎng)Bz隨時(shí)間的演化過(guò)程.Fig.3 The time evolution of magnetic field Bz componet at the dipolarization frontThree representative moments are shown:(a) ωcit=19.49; (b) ωcit=21.44; (c) ωcit=23.38; The black lines indicate the magnetic field lines; (d) Temporal variation of Bz observed by a fixed location (represented by a black asterisk at X=18di in (a—c)).

能量轉(zhuǎn)化率J·E代表的是電磁場(chǎng)與等離子體之間的相互能量轉(zhuǎn)化.當(dāng)J·E>0時(shí)，表示電磁場(chǎng)的能量轉(zhuǎn)化為等離子體的能量；當(dāng)J·E<0時(shí)，表示等離子體的能量轉(zhuǎn)化為電磁場(chǎng)的能量.圖4(a—c)展示了在ωcit=23.38時(shí)偶極化鋒面上的總能量轉(zhuǎn)化率J·E，離子的能量轉(zhuǎn)化率Ji·E與電子轉(zhuǎn)化率Je·E.在鋒面上的總能量轉(zhuǎn)化率J·E>0，表明在鋒面上磁能轉(zhuǎn)化為等離子體的能量.同時(shí)，離子的能量轉(zhuǎn)化率Ji·E遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電子的能量轉(zhuǎn)化率Je·E.Yi等(2019)利用全粒子模擬對(duì)比了整個(gè)磁重聯(lián)區(qū)域的離子的能量轉(zhuǎn)化率Ji·E與電子的能量轉(zhuǎn)化率Je·E，發(fā)現(xiàn)Ji·E遠(yuǎn)大于Je·E.由于偶極化鋒面是磁重聯(lián)過(guò)程中發(fā)生能量轉(zhuǎn)化的主要場(chǎng)所，因此本研究的結(jié)論與Yi等(2019)的結(jié)論具有一致性.然而，為了得到偶極化鋒面上的能量分配，需要我們對(duì)離子和電子各自獲得的能量進(jìn)行定量的研究.

偶極化鋒面上的能量轉(zhuǎn)化與能量分配可由鋒面區(qū)域內(nèi)的能量轉(zhuǎn)化率積分得到.Liang等(2016)利用全粒子數(shù)值模擬研究了偶極化鋒面的厚度和寬度，其結(jié)果表明鋒面的典型厚度為1.2di，典型寬度為4di.基于Liang等(2016)的研究結(jié)果，本研究選取以鋒面上Bz最大值為中心的1.2di×4di的區(qū)域作為積分區(qū)域，如圖4(a—c)中紅色虛線區(qū)域所示.圖4d展示了在鋒面區(qū)域內(nèi)對(duì)能量轉(zhuǎn)化率積分所得的能量轉(zhuǎn)化及能量分配隨時(shí)間的演化.結(jié)果顯示，隨著磁重聯(lián)發(fā)展到穩(wěn)定的狀態(tài)，鋒面上釋放的能量一直由離子獲得其大部分，在ωcit=15至ωcit=23時(shí)，離子所獲得的能量為總能量的90%，而電子獲得的能量只占了10%.Yi等(2019)利用全粒子模擬研究了在一次磁重聯(lián)事件中，被釋放的所有能量在整個(gè)磁重聯(lián)區(qū)域(120di×60di)的分配情況，其結(jié)果顯示離子最多獲得了總能量的6/7，電子獲得了總能量的1/7.這一結(jié)論與本研究的結(jié)論也是相似的.

圖4 在ωcit=23.38時(shí)刻(a)偶極化鋒面上的總能量轉(zhuǎn)化率J · E； (b) 離子能量轉(zhuǎn)化率Ji · E； (c) 電子能量轉(zhuǎn)化率Je · E； (d) 鋒面上的能量轉(zhuǎn)化與能量分配隨時(shí)間的演化，由對(duì)能量轉(zhuǎn)化率進(jìn)行積分得到，積分區(qū)域?yàn)閳D(a—c)中紅色虛線區(qū)域Fig.4 (a) The total energy conversion rate J · E at the dipolarization front; (b) The ion energy conversion rate Ji · E at the dipolarization front; (c) The electron energy conversion rate Je · E at the dipolarization front at ωcit=23.38; (d) The time evolution of energy conversion and partition at the dipolarization front, which is obtained by the integration of the energy conversion rate. The integration domain is indicated by the red dashed line in (a—c)

Yi等(2019)研究了總能量轉(zhuǎn)化率中各方向分量的貢獻(xiàn)，結(jié)果表明能量轉(zhuǎn)化率以Y分量JyEy占主導(dǎo).由于J·E=JxEx+JyEy+JzEz，對(duì)各方向分量在相同的積分區(qū)域進(jìn)行積分可得各方向分量對(duì)總能量轉(zhuǎn)化的貢獻(xiàn).圖5所示為離子和電子所獲得的能量中各項(xiàng)分量的貢獻(xiàn).可以看出，離子所獲得能量主要是來(lái)自Y分量，X分量有較少的貢獻(xiàn)，而Z分量沒有貢獻(xiàn).同樣地，電子所獲得的能量主要來(lái)自Y分量，Z分量沒有貢獻(xiàn).造成這一現(xiàn)象的原因是鋒面上占主導(dǎo)的電流分量為Jy，其形成了鋒面上占主導(dǎo)的磁場(chǎng)Bz分量，進(jìn)而導(dǎo)致其能量貢獻(xiàn)Y分量占主要地位.值得注意的是，電子所獲能量的X分量與離子所獲能量的X分量符號(hào)相反，這是由于偶極化鋒面作為重聯(lián)出流的前端結(jié)構(gòu)，附近的等離子體出流速度以+Vx為主，由于離子和電子的電荷性質(zhì)相反，導(dǎo)致離子電流Jix與電子電流Jex符號(hào)相反，進(jìn)而使得能量轉(zhuǎn)換率在X方向的分量JixEx與JexEx符號(hào)相反.另一方面.從電場(chǎng)的角度來(lái)看，霍爾電場(chǎng)Ez主要集中在重聯(lián)出流的分形線區(qū)域，其分布關(guān)于Z=0對(duì)稱.由于偶極化鋒面主要沿著Z=0傳播，鋒面上的Ez幾乎為0，使得能量貢獻(xiàn)中Z分量也幾乎為0.

2.2 引導(dǎo)場(chǎng)的影響

值得注意的是，以上研究結(jié)果是在不具有引導(dǎo)場(chǎng)的對(duì)稱重聯(lián)中產(chǎn)生的.而在地球磁尾環(huán)境中，由于行星際磁場(chǎng)的滲透作用，磁尾磁重聯(lián)會(huì)有引導(dǎo)場(chǎng)的存在(Cheng et al., 2014).以往的研究表明在存在引導(dǎo)場(chǎng)的情況下，磁尾磁重聯(lián)的位型會(huì)發(fā)生變化(Lai et al., 2015)，且引導(dǎo)場(chǎng)對(duì)粒子動(dòng)力學(xué)也會(huì)產(chǎn)生影響(Wang et al., 2016).因此研究引導(dǎo)場(chǎng)對(duì)偶極化鋒面上能量轉(zhuǎn)化以及分配的影響也具有重要意義.以往的研究表明，當(dāng)引導(dǎo)場(chǎng)的強(qiáng)度超過(guò)一定閾值，會(huì)使得重聯(lián)中一些物理過(guò)程發(fā)生變化，如Fu等(2018)的數(shù)值模擬研究表明，當(dāng)引導(dǎo)場(chǎng)Bg>0.3B0時(shí)，原本兩極的霍爾電場(chǎng)變成了三極的電場(chǎng).Lu等(2020)的數(shù)值模擬研究表明，當(dāng)引導(dǎo)場(chǎng)Bg>0.2B0時(shí)，重聯(lián)中的plasmoids結(jié)構(gòu)會(huì)轉(zhuǎn)變成flux rope結(jié)構(gòu).為了避免引導(dǎo)場(chǎng)太小使得引導(dǎo)場(chǎng)對(duì)鋒面上粒子獲取的能量影響不明顯，且為了符合衛(wèi)星數(shù)據(jù)中磁尾較少出現(xiàn)強(qiáng)引導(dǎo)場(chǎng)這一觀測(cè)事實(shí)，本研究選取的引導(dǎo)場(chǎng)By=0.5B0.圖6(a—c)所示為同樣的時(shí)刻ωcit=23.38時(shí)鋒面上的總能量轉(zhuǎn)化率J·E，離子的能量轉(zhuǎn)化率Ji·E與電子轉(zhuǎn)化率Je·E.同樣地，在鋒面上的總能量轉(zhuǎn)化率J·E>0，表明即使施加了引導(dǎo)場(chǎng)By，在鋒面上依然以等離子體獲得能量為主.與無(wú)引導(dǎo)場(chǎng)的情況相比(圖4)，電子的能量轉(zhuǎn)化率Je·E明顯減弱，表明引導(dǎo)場(chǎng)的存在抑制了鋒面上電子的能量獲取.圖6d所示為鋒面上總的能量轉(zhuǎn)化與能量分配，即能量轉(zhuǎn)化率在鋒面區(qū)域的積分，積分區(qū)域與無(wú)引導(dǎo)場(chǎng)情況一致，如圖6(a—c)中紅色虛線所示.由于引導(dǎo)場(chǎng)對(duì)鋒面上電子獲得能量的抑制效果，在磁重聯(lián)發(fā)展到穩(wěn)定時(shí)刻ωcit=15至ωcit=23時(shí)，離子所獲得的能量為總能量的95%，而電子獲得的能量只占了5%.值得注意的是，在鋒面前的區(qū)域總能量轉(zhuǎn)化率J·E<0，這表明電磁場(chǎng)從等離子體中獲得了能量，這可能是由于在鋒面前的區(qū)域里存在等離子波的激發(fā).實(shí)際上，偶極化鋒面處所觀測(cè)到波動(dòng)現(xiàn)象也廣泛存在于之前的衛(wèi)星觀測(cè)研究中(Zhou et al., 2014; Huang et al., 2015b).需要說(shuō)明的是，本研究?jī)H考慮引導(dǎo)場(chǎng)By=0.5B0的情況，不同大小的引導(dǎo)場(chǎng)對(duì)鋒面上帶電粒子能量的獲取會(huì)產(chǎn)生影響.引導(dǎo)場(chǎng)越強(qiáng)，磁重聯(lián)的重聯(lián)率也越低.Yi等(2019)的研究結(jié)果表明，隨著引導(dǎo)場(chǎng)的增加，重聯(lián)率和能量轉(zhuǎn)化率J·E的峰值都減少了.而磁尾的引導(dǎo)場(chǎng)的大小是受到太陽(yáng)風(fēng)條件的影響的.Cao等(2014)利用Cluster衛(wèi)星統(tǒng)計(jì)了磁尾引導(dǎo)場(chǎng)By和太陽(yáng)風(fēng)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)風(fēng)By對(duì)磁尾引導(dǎo)場(chǎng)By滲透效率可達(dá)0.7.因此，當(dāng)IMFBy越強(qiáng)，滲透到磁尾使得引導(dǎo)場(chǎng)By越強(qiáng)，重聯(lián)率越低，鋒面上帶電粒子所獲取的能量就越少.

圖5 (a) 離子獲得能量的三分量隨時(shí)間的演化；(b) 電子獲得能量的三分量隨時(shí)間的演化Fig.5 (a) The time evolution of the three components of ion energy gain; (b) The time evolution of the three components of electron energy gain

同樣地，引導(dǎo)場(chǎng)的存在也會(huì)對(duì)各方向分量的貢獻(xiàn)產(chǎn)生影響.圖7展示的是在引導(dǎo)場(chǎng)By=0.5B0的情況下，離子和電子獲得的能量中各方向分量的貢獻(xiàn).可以看出離子獲得能量依然以Y方向分量占主導(dǎo).與無(wú)引導(dǎo)場(chǎng)情況相比較可以發(fā)現(xiàn)X方向分量的貢獻(xiàn)有所增加，而最顯著的差別是Z方向分量的貢獻(xiàn)不再是可忽略的，其對(duì)離子能量的作用是使其減少.對(duì)電子來(lái)說(shuō)，其X方向分量的貢獻(xiàn)仍然與離子能量分量X方向相反，但此時(shí)其獲得能量的貢獻(xiàn)以Y方向和Z方向分量為主，后者在重聯(lián)發(fā)展的后期甚至超過(guò)了Y方向分量的貢獻(xiàn).以上結(jié)果說(shuō)明引導(dǎo)場(chǎng)對(duì)離子和電子獲得能量的影響主要體現(xiàn)在Z方向分量上，因此接下來(lái)本研究將對(duì)比電流Jiz與Jez以及電場(chǎng)Ez在不同引導(dǎo)場(chǎng)情況下的表現(xiàn).

圖8展示了無(wú)引導(dǎo)場(chǎng)情況與引導(dǎo)場(chǎng)By=0.5B0時(shí)鋒面上Bz最大值位置處的離子電流Z方向的分量Jiz、電子電流Z方向分量Jez以及電場(chǎng)Z方向分量Ez.可以看出在引導(dǎo)場(chǎng)By=0.5B0時(shí)，離子電流Jiz、電子電流Jez與電場(chǎng)Ez均遠(yuǎn)大于無(wú)引導(dǎo)場(chǎng)的情況.這是因?yàn)橐龑?dǎo)場(chǎng)使得磁重聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，模擬中的電流片與重聯(lián)產(chǎn)生的偶極化鋒面都不再是關(guān)于Z=0對(duì)稱的均勻分布，而是在Z<0的區(qū)域的具有較大值，在Z>0的區(qū)域的具有較小值，這就導(dǎo)致了鋒面上具有更強(qiáng)的離子電流Jiz與電子電流Jez，且其方向相反.另一方面，在無(wú)引導(dǎo)場(chǎng)的情況下，霍爾電場(chǎng)Ez集中在分形線區(qū)域，因此關(guān)于Z=0對(duì)稱的鋒面上的幾乎不存在電場(chǎng)Ez.Fu等(2018)研究表明在引導(dǎo)場(chǎng)By的作用下，霍爾電場(chǎng)Ez也不再關(guān)于Z=0對(duì)稱，Z<0 區(qū)域內(nèi)的霍爾點(diǎn)場(chǎng)Ez會(huì)滲透進(jìn)入Z>0 的區(qū)域.這種現(xiàn)象使得鋒面上出現(xiàn)了電場(chǎng)Ez<0.這兩個(gè)原因最終導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)化中Z方向分量不再可忽略，并且其對(duì)離子具有減少總能量的效果，對(duì)電子具有增加總能量的效果.

圖6 引導(dǎo)場(chǎng)By=0.5 B0時(shí)偶極化鋒面上的能量轉(zhuǎn)化與能量分配.圖6與圖4具有相同的形式Fig.6 The energy conversion and partition at the dipolarization front in the case By=0.5 B0. Fig.6 is in the same format as Fig.4

圖7 引導(dǎo)場(chǎng)By=0.5 B0時(shí)(a)離子獲得能量的三分量隨時(shí)間的演化； (b) 電子獲得能量的三分量隨時(shí)間的演化Fig.7 (a) The time evolution of the three components of ion energy gain in the case By=0.5 B0; (b) The time evolution of the three components of electron energy gain in the case By=0.5 B0

圖8 無(wú)引導(dǎo)場(chǎng)與引導(dǎo)場(chǎng)By=0.5 B0(a)離子電流Jiz，(b)電子電流Jez以及(c)電場(chǎng)Ez的對(duì)比Fig.8 The comparison between the case By=0 and case By=0.5 B0 of (a) the ion current Jiz, (b) the electron current Jez, and (c) the electric field Ez

3 結(jié)論

偶極化鋒面是地球磁尾發(fā)生能量轉(zhuǎn)化的重要場(chǎng)所，在鋒面上大量的磁能被轉(zhuǎn)化為等離子體的能量.然而，在這些被轉(zhuǎn)化的能量中，離子和電子各自獲得的能量占比缺少定量的研究.本研究利用二維全粒子模擬的方法研究了磁尾磁重聯(lián)產(chǎn)生的偶極化鋒面上的能量轉(zhuǎn)化與能量分配.本研究的主要結(jié)論如下：

(1) 隨著重聯(lián)的演化，重聯(lián)產(chǎn)生的高速等離子體噴流在向出流區(qū)傳播的過(guò)程中形成了堆積區(qū)，其前端即產(chǎn)生了地向傳播的偶極化鋒面.在鋒面上離子能量轉(zhuǎn)化率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電子能量轉(zhuǎn)化率，這與前人的研究結(jié)果一致.同時(shí)，為對(duì)離子和電子各自獲得的能量進(jìn)行定量地對(duì)比，本研究對(duì)鋒面區(qū)域的離子和電子的能量轉(zhuǎn)化率分別進(jìn)行積分，結(jié)果顯示在偶極化鋒面上釋放的能量里，90%的能量由離子獲得，10%的能量由電子獲得.

(2) 離子和電子獲得能量主要是由能量轉(zhuǎn)化項(xiàng)的Y方向分量貢獻(xiàn)的，這是由于鋒面區(qū)域Y方向電流占主導(dǎo)；離子的X方向分量使離子總能量增加，電子的X方向分量使電子總能量增加；離子和電子能量轉(zhuǎn)化的Z方向分量幾乎沒有貢獻(xiàn).這說(shuō)明偶極化鋒面對(duì)整個(gè)重聯(lián)區(qū)域的能量轉(zhuǎn)化有重要的主導(dǎo)作用.

(3) 另外，本研究進(jìn)一步探究了引導(dǎo)場(chǎng)對(duì)鋒面上的能量轉(zhuǎn)化及分配的影響.結(jié)果顯示當(dāng)存在引導(dǎo)場(chǎng)Bg=0.5B0時(shí)，鋒面上離子的能量轉(zhuǎn)化率依然大于電子的能量轉(zhuǎn)化率.同時(shí)，在引導(dǎo)場(chǎng)的影響下，鋒面前端出現(xiàn)了等離子體能量向電磁能量轉(zhuǎn)化的區(qū)域.這表明引導(dǎo)場(chǎng)使得鋒面前端激發(fā)了等離子體波.對(duì)同樣的鋒面區(qū)域進(jìn)行積分后，研究發(fā)現(xiàn)在引導(dǎo)場(chǎng)的影響下，離子獲得了更多的能量，達(dá)到被釋放的總能量的95%，而電子獲得的能量被減少為5%.引導(dǎo)場(chǎng)的存在改變了磁重聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)而改變了各方向分量的貢獻(xiàn)情況.離子的能量轉(zhuǎn)化項(xiàng)依然是Y方向分量占主導(dǎo)，X方向分量的貢獻(xiàn)有所增加，而Z方向分量不再是可忽略的了，其使得離子總能量減少.而電子的能量轉(zhuǎn)化項(xiàng)此時(shí)主要由Y方向分量和Z分量貢獻(xiàn)，X方向分量使其能量減少.

本研究定量地分析了離子和電子在偶極化鋒面的能量轉(zhuǎn)化與分配，有助于我們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)偶極化鋒面在磁尾物質(zhì)和能量傳輸過(guò)程中所發(fā)揮的作用.