关于磁重联区三维磁零点的卫星观测研究

磁重联是等离子体中磁场能量快速转换为粒子动能和热能的主要途径,是空间物理和等离子体物理中的重要现象.磁重联过程发生在磁场的拓扑分形面上;这种分形面一般是由磁零点附近磁场梯度张量的本征矢量确定的.磁零点的三维特性要求至少空间4点的同时测量.Cluster计划提供了迄今为止唯一的卫星测量手段.基于Poincare指数方法分析Cluster卫星在地球磁尾的探测数据,(1) 找到了磁重联过程中存在4种磁零点的证据;(2) 发现磁零点周围磁场的空间特征尺度大约为离子惯性长度,从而首次揭示霍尔效应可能在三维磁重联中起重要作用;(3) 在重联区找到匹配的磁零点对,并计算出零点连线的长度,确定了所产生的磁场的拓扑分形面;(4) 发现在零点连线附近存在低杂波频率的电磁振荡,这为磁重联过程中可能的电子加速、加热机制提供了观测基础.     

无碰撞磁场重联中的磁岛（英文）

在以下两个方面回顾了磁岛在无碰撞磁场重联中的作用:磁能到等离子体动能和热能的快速转化以及高能量电子的产生.重联的X点附近的电流片可能被拉伸并导致撕裂模不稳定性,并形成相互作用的次级磁岛.这种非稳态的磁场重联图像可以维持长时间的高重联率,进而有效地耗散磁能.电子可在磁岛内通过费米和betatron机制加速,也可在X点附近通过重联电场加速.磁岛间的相互作用可进一步加速电子.这些加速过程可导致高能量电子的幂律谱分布.     

无碰撞磁重联现象的电子动力学研究

基于磁流体力学理论,通过双流体MHD方程组,使用专业电磁流体数值仿真模拟软件Usim,研究了无碰撞等离子体磁重联过程中电子的动力学行为,得到了电子的数密度与流速的空间分布.结果表明,重联面内的电子数密度分布区域与速度分布区域相吻合,四极型磁场结构可以表征Hall的电流存在.此外,无碰撞等离子体中Hall电流的存在将使得磁重联现象的重联率大大提高,这对研究快速磁重联的产生机制有着重要的意义.     

磁损耗介质波导中静磁波的传播特性

根据磁性波导中静磁波的激发特点和边界条件,给出了斜向静磁场作用下有损耗波导中静磁波的传播方程,分析了ＹＩＧ薄膜波导中静磁波传播常数ＫＳ（＝Ｋ′Ｓ－ｉＫ″Ｓ）对静磁波频率ω、斜向静磁场Ｈｉ以及阻尼系数α等的依赖关系．计算表明,对于有损耗ＹＩＧ波导中传播的静磁波,当α＜０．０１时,损耗基本上不改变Ｋ′Ｓ的大小,但对静磁波振幅仍有影响．当静磁波频率一定时,Ｋ″Ｓ近似与斜向场大小成反比     

Alfvén波与等离子体的共振相互作用

采用粒子模拟（ PIC）方法,研究沿背景磁场传播的Alfven波与均匀磁化等离子体共振相互作用的过程。模拟结果表明：共振加热过程中,在平行和垂直于背景磁场的方向上,质子温度均得到增加,且垂直方向上的温度增加更为明显,等离子体温度呈现各向异性;同时,不同的波频率影响波粒子加热效果,并且一定范围内,共振加热期间,共振波频率越大,加热效果越好。而经过随机加热后,粒子动力学温度的最大值与波频率无关,仅仅与波的相速度相关。     

一种新的等离子体下混杂振荡

本文在研究(双流体描述)均匀磁场内等离子体中的低频静电离子波时,没有像通常那样采用准中性近似,从而得到了均匀磁场内精确的静电离子波的色散关系,并着重指明了频率为ω=(ω_(pi)~2+Ω_i~2)~(1/2)的下混杂振荡,进一步还讨论了等离子体中传播的电磁波在这一频率上的共振。     

濮祖荫教授领导的“双星-Cluster”科研组获重大发现

由北京大学濮祖荫教授领导的“双星-Cluster”科研组，通过分析欧洲空间局Cluster星座的探测数据，首次观测到等离子体磁重联的磁零点。这一成果发表在2006年7月出版的NATURE PHYSICS上。     

电子磁流体模型及Biermann电池效应和位移电流效应

电子磁流体（Electron Magnetohydrodynamics,EMHD）理论在空间、天体等离子体物理以及纯电子等离子体物理领域,特别是磁场的产生、磁力线的重联等重要物理现象的研究中有广泛应用．近年来对一些空间、天体物理过程的实验室模拟以及相关的激光等离子体物理与高能量密度物理的研究中,等离子体物理过程的快尺度时空演化导致位移电流效应、Biermann电池效应等对电子磁流体模型的一些基本假设产生重要的修正．本文在讨论分析电子磁流体理论模型主要近似的基础上,研究了Biermann电池效应与位移电流引起的效应,并进一步讨论了这一些效应对一些重要等离子体物理过程的影响．     

简讯

中国科学家揭示太空三维磁重联的几何结构———《Nature Physics》再次发表北京大学与国家天文台等最新合作成果以中国科学院国家天文台肖池阶副研究员、北京大学王晓钢教授、濮祖荫教授等为主的研究小组,继去年首次发现了自然界中存在磁场零点(Nature Physics2(7),478-483,20     

中国科学家揭示太空三维磁重联的几何结构——《Nature Physics》再次发表北京大学与国家天文台等最新合作成果

以中国科学院国家天文台肖池阶副研究员、北京大学王晓钢教授、濮祖荫教授等为主的研究小组，继去年首次发现了自然界中存在磁场零点（Nature Physics2（7），478—483，2006）之后，最近又合作完成了三维磁重联完整几何结构的卫星观测研究。     

等离子体混杂振荡的动力论描述

本文从 Bernstein 模色散关系出发,论证了在低密度等离子体中能够承载(support)频率接近上混杂模和频率为ω_L=(ω_(P1)~2+Ω_i~2)1/2的下混杂模两种短波长振荡,它们在三波衰变相互作用过程中,将扮演重要角色。     

致密天体等离子体中线性波的传播特性

利用在相对论量子力学框架下建立的磁流体动力学模型,研究了致密天体等离子体中线性波的传播特性,旨在考察相对论效应和量子效应对致密天体等离子体基本物理过程的影响,揭示其相对论量子物理的本质。文章从包含相对论效应和量子效应的磁流体动力学方程和麦克斯韦方程组出发,首先推导出致密天体等离子体的色散方程;然后在无外磁场,外磁场平行于波矢量和垂直于波矢量三种特殊情况下,研究不同模式线性波的色散关系。研究发现相对论效应和量子效应对线性波在致密天体等离子体中传播的色散关系有修正,当选取脉冲星磁层等离子体特征参数做数量级估算时,相对论量子修正项比较显著。     

相对论等离子体中的下混杂孤子

本文用相对论各向同性流体动力学方程,研究了磁化等离子体中横越磁场传播的非线性下混杂波,导出了下混杂孤子。     

非均匀动压引起的瞬时局部重联

非均匀动压冲击和冲击突然停止,可能是引起等离子体边界层的局部瞬时重联的一种新机制.用二维可压缩磁流体力学数值模拟方法研究了这两个过程.根据模拟结果,提出了一种新的瞬时重联模型,称为"横向剪切流驱动重联"模型.对这种重联过程在磁层物理中可能的应用进行了讨论.     

反铁磁质的体静磁波

通过计算和分析得到在垂直磁晶磁矩的外磁场下反铁磁质的体静磁波的频率与波矢的大小无关,只取决于波矢的方向,以及静磁波的频率在外磁场大小变化的情况下取值变化的规律。     

太阳爆发的抵近探测

本工作将介绍一项具有重大科学和实际意义的深空探测任务,这项任务的顺利实施将允许我们在一个前所未有的近距离上以遥感和实地探测手段相结合的方式观测和研究一颗恒星的磁活动以及磁重联区域.首先,我们将首次直接进入太阳风暴的核心能量释放区——磁重联电流片内部,对其中的磁场耗散、能量转换、带电粒子加速等重要过程的细节进行精细实地测量和研究.其次,我们将对太阳风暴,即日冕物质抛射(Coronal Mass Ejection, CME)的物质成分和内部结构进行直接探测,帮助我们深入研究和了解CME的爆发机制和其中的物质来源;实地探测快CME前面的快模激波,被磁重联和CME激波加速的带电粒子及其所产生的电磁辐射.第三,我们将在离开太阳5-10个太阳半径的距离上直接测量日冕磁场-太阳活动的能量来源.第四,利用成像和光谱观测手段,我们能够近距离地观测和研究太阳高层大气中的动力学过程.目前在地球附近对日冕常规观测的分辨率在1.5′′,甚至更差,而通过抵近观测可以将同样设备的分辨能力提高5-30倍,将为我们提供在地球附近无法获得的太阳超清晰图像以及相应的物理信息,让我们在一个前所未有的平台上来研究、认识和了解距离我们最近、对我们最重要的恒星,从而解决太阳爆发和日冕加热等长期困扰太阳物理研究领域的难题.这也将使我们获得唯一的、能够对发生在恒星大气中的磁重联过程进行直接或者是抵近探测的机会!     

行星际日冕物质抛射中的磁流体波动观测

日冕物质抛射（CME）是最大尺度的太阳活动现象,灾害性空间天气的主要驱动源．行星际日冕物质抛射（ICME）中的等离子体波动性质与ICME的演化密切相关．由于ICME中的平均磁场较大,其中的Alfven低频扰动研究较少．前人的研究只分析了0．3AU和0．68AU处的个别ICME中的Alfven波动．ICME在1AU处的Alfven波观测较少．本文对第23太阳周1995—2006年期间所有引起大磁暴（Dst≤－100nT）的单个ICME事件进行统计分析,结果表明：（1）大约30％的ICME中长时间存在Alfven波（超过ICME持续时间的30％）;（2）约一半的ICME的鞘层中存在快磁声波;（3）所有ICME中都存在短时间段的慢磁声波．这些观测结果为研究CME在行星际传播过程时其中的Alfven波演化机制及其动力学演化提供了观测基础．     

填充磁化等离子体波导的导波场分析

文章对填充磁化等离子体波导中的导波场进行了详细的分析,给出了有限磁场下波在填充磁化等离子体波导中的传播理论,推导出作为普遍严格的在磁化等离子体波导中电磁波的波动方程及场分量的表达式,并且对所得到的结果进行了验证,这对进一步研究磁化等离子体波导中的电磁波传播特性和微波等离子体激发的准分子激光器奠定了理论基础。     

宇宙中高能带电粒子的加速

宇宙中高能粒子的起源问题是高能太阳和天体物理的核心问题之一.在剧烈变化的天体物理环境下,背景等离子体中的带电粒子可以被其中的电场加速到很高的能量.根据背景电场和带电粒子相互作用的特征,带电粒子的加速机制可以分为:等离子波和粒子共振相互作用、沿磁力线方向的平行电场加速和磁场不均匀性有关的磁场曲率与梯度加速等.根据粒子加速过程对应的宏观能量释放机制,人们发展了随机粒子加速理论、扩散激波粒子加速理论以及磁重联粒子加速理论等.这些理论都有其各自的假设和特征,在不同的天体物理环境有其相应的应用.与高能天体物理观测的不断进步相结合,通过对高能粒子辐射特征和加速过程的分析,人们可以更好地认识剧烈变化天体物理环境下发生的各种物理过程.     

微波ECR等离子体的传播特性研究

过冷等离子体波的色散关系计算分析得到了不同频率区域回旋波的性质，由此得到高、低两种磁场位形下微波ＥＣＲ等离子体的传播特性，并利用回旋阻尼机制对共振区位移作出了解释