日地空间中经常发生爆发事件,短时间内(几分钟至几小时)大量磁能转化为等离子体动能和热能,形成日地空间暴。例如:太阳表面的耀斑、日冕物质抛射和地球磁层亚暴、磁暴等。半个多世纪的研究,目前研究者普遍认为,这些爆发事件的直接驱动力是磁场重联。磁场重联是如何在短时间内将大量低能带电粒子加速到高能相对论粒子的,一直困扰着学界。
王荣生副研究员等人利用多卫星数据,分析研究了地球磁尾区域的磁场重联事例。采用高分辨率数据,首次直接同时观测到了磁场重联过程中分离线附近平行于局地磁场的静电场和高能电子束流。平行电场由重联的中心区域指向外,呈连续的孤立静电波(称之为:电双层)分布。该静电波以局地离子声速逃离重联区域,因而加速在其路径上的电子。电子经历一系列的静电波加速,可以很快被加速到高能(高达100 keV)。由于静电波的加速,电子形成束分布、逆着磁力线进入重联中心区域。同时,电子束流形成一薄的电子电流层、厚度约为700 千米,位于磁场重联区域的分界线区域。该组研究首次证实了磁场重联过程中,电子在沿着磁力线进入磁场重联中心区域的过程中,已经被强平行电场有效地加速。由于分界线区域一般会延伸很远,可能至地球极区电离层,该研究表明磁场重联过程中,电子加速区可能沿着分界线延伸至很远的区域,而并非之前普遍认为的只局限于重联点附近的千米范围。
电双层不断地生成并从分离线区域逃离磁场重联X线,由其形成的入流电子束流会不稳定生成一串电子相空间洞。大量相空间洞在磁场重联的中心区域汇集、形成由其组成的"空洞气体"。数值模拟结果表明该气体可以散射粒子、提高磁场重联效率。
该工作发表在 Wang, R. S., Q. Lu, Y. V. Khotyaintsev, M. Volwerk, A. M. Du, R. Nakamura, W. D. Gonzalez, X. Sun, W. Baumjohann, X. Li, T. L. Zhang, A. N. Fazakerley, C. Huang, and M. Y. Wu (2014), Observation of double layer in the separatrix region during magnetic reconnection, Geophys. Res. Lett., 41, 4851–4858, doi:10.1002/2014GL061157.