磁尾中的高能氧：磁重联的发生和演化

文丨小志连着说

氧离子是磁层等离子体的主要成分，但氧在磁重联等过程中的作用仍然知之甚少。观察表明，磁尾电流片中可能存在大量的带电O+。

大量热O+对磁重联的影响相对较小。使用成熟的三种2.5D细胞内粒子动力学模拟。根据已发布的原位测量结果为热背景O+提供能量。对背景O+施加一定范围的能量。

通电O+对CS变薄以及磁重联的发生和演化的影响。通电O+的存在会导致细化CS中的两种机制起始反应。

随着较低区域的能量增加，重新连接在单个主要X线上发展，增加了发作时间，并抑制了进化速率。

随着更高机制中的能量继续增加，重新连接在多个X处发展线，形成随机等离子体链；减少发作时间；并通过等离子体不稳定性增强进化。通电的O+驱动中心CS周围的背景H+耗尽。随着能量的增加，CS变薄开始变慢并最终逆转。

磁重联在地球磁层、太阳、磁约束等离子体和整个宇宙中的磁化等离子体的行为中起着至关重要的作用。将重新连接理解为一个基本的物理过程已经成为空间物理学界的一个高度优先事项。

O+以不同的数量存在于整个磁层中。虽然已知诸如氧之类的重离子会影响地球磁层中的重联过程，但它们的影响仍然是磁重联的众多方面之一。

对于重离子影响磁重联动力学的程度或确切方式，目前还没有达成一致意见。尽管存在带电O+和热能，重新连接的模拟研究仅使用热重离子进行，忽略了带电重离子。

实验室和空间磁重联的理论、观测和模拟研究由来已久。有一个简化的反平行磁场系统，例如此处使用的配置，允许比较各个参数的变化，例如成分、通电、密度和CS厚度。我们的基本配置不包括引导字段或主要组件。

地球和太阳的闭合磁力线之间的日间重联会产生连接地球和太阳的开放磁力线区域。一端固定在地球上，这些磁力线通过太阳风对流经过地球，并积聚在磁尾的叶瓣中。“冻结”磁化等离子体的两个波瓣区域“缠绕”地球并与反太阳方向相遇以形成磁尾。

这些叶中存在的冻结状态阻止了这些区域中的磁力线合并。在叶瓣相互挤压的地方，形成了厚厚的边界，称为等离子体片或层。

嵌入等离子体片内的CS沿着波瓣之间的磁反转形成。带电粒子的黄昏电流在垂直于磁场线的相反方向上移动。

该CS的结构为两个区域的合并提供了额外的障碍。叶中等离子体和通量的积累“压缩”了CS，导致外部压力增加到内部压力。

这会迫使CS随着时间的推移变薄，并导致有利于磁重联的条件。可能会出现这样的情况，其中CS的退化和破坏也会导致有利于磁重联的条件。导致外部压力增加到内部压力。

使用磁尾的特征和术语描述了细化和重新连接CS的预期行为。根据等离子体参数和系统大小，地球的磁尾属于无碰撞等离子体的一般类别。

这些参数取决于CS内部和周围的等离子体离子含量和磁场条件。这些条件导致磁重联以两种配置之一发展；具有单个X线或多个X线。开始的参数机制可能与他们工作中提到的重新连接发展的参数机制非常不同。

这取决于有效等离子体尺寸在临界过渡尺寸λcrit方面的位置。那些具有λλcrit的系统以单个X点进化，而具有λλcrit的系统以多个X点进化。虽然不是基于分析理论，但λcrit≈50是根据经验得出的。

中央CS的厚度由其内部压力与其上方和下方的体积区域的磁压力和等离子体压力的平衡决定。当通量和等离子体在中央CS周围积聚时，由于来自波瓣的外部压力而发生变薄。随着CS变薄，不稳定性形成，引发局部波动。

一旦存在适当的耗散条件，来自相反波瓣的场线就会合并，从而改变拓扑结构，并释放先前冻结的能量。

磁尾叶中的磁力线是开放的，即从地球连接到太阳风。一旦尾场线重新连接，它们就会闭合，即地球与地球相连。

二维磁重联可以通过各种不稳定机制开始。一旦开始发生，由此产生的重新连接配置就被组织成一个基于两个关键无量纲参数的“相图”。这些参数决定了哪种不稳定性成为主导，以及经历磁重联的系统将如何演化。

单X线来自磁场重新配置的能量将先前冻结的等离子体加速到重新连接区域之外。这种由磁力线的新拓扑结构引起的磁张力释放将重新配置的磁通量带离重新连接区域，从而降低了压力。

这导致波瓣中的高压等离子体“馈入”重新连接区域。当在2.5D背景下进行研究时，磁重联区域在其演化过程中会产生几个特征特征。

沿着X线，电离子去耦发生在离子的尺度长度上。这会在X点周围生成平面外四极霍尔磁场。电子压力张量的非对角线分量对面外电场有贡献。

这被称为重新连接电场。大量流入发生，从CS上方和下方的磁化等离子体区域，朝向X线。流动离子、电子和磁通量的流出射流从垂直于CS中电流的X线流出。

多重X线与二维重联的研究总量相比，磁重联开始导致等离子团形成的研究还处于成长期。作者目前不知道任何已发表的关于高能重离子对等离子团链演化影响的研究。多个X线可能会在CS中形成产生“等离子团”，在2D中也称为磁“岛”。

使用孤岛来指代不会像主要X点那样驱动系统演化的较小特征。使用plasmoids来指代支配CS的大型结构。等离子团之间形成二级CS。

二次撕裂不稳定性触发额外的磁重联，导致等离子团聚结。随着时间的推移，可能会发生多个级别的二次重新连接。

在每个级别中，不同的比例大小会导致本地Lundquist数发生变化，从而导致不同的本地重新连接率。这导致重新连接的磁通量以比单X线重新连接更快的速度增加。

Daughton专注于初始CS厚度并使用完全动力学模拟。对于产生等离子体链的磁重联，等离子体团的数量N随着Lundquist数的增加而增加为。

这一趋势与Loureiro的磁流体动力学理论一致。发现随着Lundquist数的增加，开始时间缩短为。

等离子团不稳定性的一般理论，包括初始扰动幅度、CS演化的特征速率和Lundquist数的影响。

演化为等离子团不稳定性的系统的比例关系不是简单的幂律。变薄CS的演化方式、开始时间以及磁重联的进行方式都遵循“最短时间原则”。

忽略不太有趣的物理学，即在线性状态下演化的系统，他们发现初始扰动、CS演化的特征速率和伦德奎斯特数S,确定开始时间、进化速度和产生的等离子团数量。

一个系统保持静止，直到它变薄到一个临界值，此时等离子体不稳定性发生，导致等离子体的爆炸性增长。

在某个临界Lundquist数Sc以上，等离子体不稳定性成为主导并破坏CS，而在Sc以下，等离子体不稳定性在单个撕裂不稳定性形成并主导CS之前无法增长。

Comisso通过MHD模拟确认了等离子体链模型，其中Lundquist数超过了临界值。低于这样的临界值，在低Lundquist数下，在适当的条件下可以形成单个X线。

变薄的CS可以通过以下两种方式之一演变，要么在低S处，单个X点成为主导，要么超过临界Lundquist数Sc，通过二次撕裂的等离子链不稳定。到目前为止，尚未在涉及重离子的研究中研究或观察到这种行为。

涉及氧气的磁重联模拟完全集中在均匀的热氧气背景上。氧气已被视为与较大的质子相同，它们产生相同的行为，只是规模更大。背景热氧对重新连接的整体演化影响有限，只是充当“更大”的质子，保持大致相同的效果。

较高的质量直接影响阿尔芬速度，从而导致热O+的两个主要影响在重新连接。热氧将重新连接区域的结构缩放到物理上更大的尺寸，同时保持相同的扩散区域纵横比。它似乎减慢了重新连接的速度，尽管有些人报告说重离子会增加重新连接的速度。

在磁尾全局多流体模型中，重离子为系统引入了固有的较大尺度长度。离子回旋加速器尺度对于磁层动力学非常重要，尤其是重电离层离子的存在。由于重离子最先退磁，因此它们对于重联区周围扩散区的形成至关重要。

在局部重离子密度可以显著升高的尾部可以看到局部密度增强和耗尽。由于这些局部密度变化，尾部的重新连接是不均匀的。

处理全局磁尾动力学而不是局部重新连接系统行为。系统规模的这种增加归因于质量的增加，这增强了陀螺半径和阿尔文速度的变化。

电离层起源的O+改变了重新连接率，第一个等离子团的最终释放延迟6分钟就证明了这一点。重联率与流入重联扩散区的流体中的阿尔文速度成正比。

由于波瓣流入区域中的O+离子导致阿尔文速度降低，因此在电离层流出的模拟中预计会降低重新连接率。

Tenfjord发现热O+的存在显着降低了重联率，而温度没有显着影响。存在的一个常见结果在无碰撞重联中，四极结构的比例和扩散区域的尺寸增加。

对重连率的影响尚不清楚。注意到热O+的加速，仅由于重新连接电场而不是重新连接过程的外部。

从观测数据中论证O+可能会增加重新连接率。O+密度的增加可能会定义可能引发爆炸性重联的区域。

尽管大多数证据表明速度变慢，但对于重离子的存在如何影响重联的开始以及重联率，仍然存在一些分歧。

工作开始于生成具有H+和热O+背景的模拟设置基线。对这些基线与已发表的正在进行磁重联的变薄CS的预期行为进行了视觉比较。

然后进行了10次模拟，对O+背景施加不同的能量。模拟盒的尺寸在z维度上加倍，以解决较小盒中较小但可量化的边界相互作用。

使用更大的模拟箱进行了10次额外的、其他方面相同的模拟。最终进行了五次模拟，其中O的变化+密度和CS厚度以评估对系统的任何影响。

根据重新连接的磁通量计算了三个分析参数。这些参数是瞬时通量、微分通量和积分通量。基于越过阈值，确定了每次模拟的开始时间。