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空间三维磁重联的几何位型和物理过程

  日期:2015-10-12 15:51:59    浏览次数:

磁零点的存在是等离子体磁重联理论的基石之一。因此研究磁场零点及其邻近区域磁场三维结构,对发展磁重联基本理论有关键性的科学意义。从磁重联零点的概念提出至今六十多年来,许多科学家一直在寻找磁零点。但是由于空间几何点集合的零测度性质,使得磁零点的探测非常困难。

本项目发展了基于Poincaré方法的磁零点诊断程序,成功地找到了在地球磁尾的磁重联过程中存在磁零点的证据,成果发表在2006年7月出版的《Nature Physics》上,并作为当期的Highlight。研究团队找到了零点对,而且确定了零点连线(磁分形线,magnetic separator)和分形面(magnetic separatrix),从而在观测上建立了“三维磁重联的整体图像”,而且分析出在分形线附近有低杂波存在。研究成果发表在2007年9月出版的《Nature Physics》上。研究团队提出基于Cluster四颗卫星重构三维磁重联磁场位型的方法,首次再现实时的三维磁重联拓扑形态,发现电子在重联核心区被短时捕获并被加速的新图像。

上述研究成果被欧洲空间局的官方网站以“Cluster hits the magnetic bull's eye”为标题进行新闻发布。先后三次作为Cluster项目的重要成果“Top Story”发布,称:“迄今磁零点的三维磁场结构还没有被直接观测到。一个由中国科学家领导的国际研究小组不仅对此做了首次报道,他们还揭示了磁零点的基本的几何和物理特性。这一科学突破的确是科学实验的非凡成就”。该成果入选教育部“2006年中国高等学校十大科技进展”。在Cluster-双星项目截至2009年5月发表的上千篇论文中,本研究还被列为5项重要成果(highlighted)之一。

图. 基于Cluster四颗卫星同时探测,首次重构出的含零点对的实时三维磁重联位型

相关代表性论文:

(1) Xiao, C.-J., Wang, X.-G., Pu, Z.-Y., et al., In situ evidence for the structure of the magnetic null in a 3D reconnection event in the Earth's magnetotail, Nature Physics, 2, 478-483, doi:10.1038/nphys342, 2006.

(2) Xiao, C.-J., Wang, X.-G., Pu, Z.-Y., et al., Satellite observations of separator-line geometry of three-dimensional magnetic reconnection, Nature Physics, 3, 609-613, doi:10.1038/nphys650, 2007.

(3) He, J.-S., Zong, Q.-G., Deng, X.-H., Tu, C.-Y., et al., Electron trapping around a magnetic null, GRL, 35, L14104, doi:10.1029/2008GL034085, 2008