[论文解读] Double layer electric fields aiding the production of energetic flat-top distributions and superthermal electrons within the exhausts from magnetic reconnection

J. Egedal, W. Daughton+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2015

Plasma Diagnostics and Applications参考文献 44被引用 4

一句话总结

本文表明，在磁重联喷流中，与磁场方向对齐的双层电场（E∥）可实现大尺度电子加速，产生超热电子和扁平顶相空间分布。该机制由当 βₑ∞ < 0.02 时的非绝热电子动力学驱动，通过 E∥ 所限制区域内的垂直电场（E⊥）实现持续加速，与地球磁层尾部的原位航天器观测结果一致，并可解释太阳耀斑中的电子加速过程。

ABSTRACT

Using a kinetic simulation of magnetic reconnection it was recently shown that magnetic-field-aligned electric fields (E||) can be present over large spatial scales in reconnection exhausts. The largest values of E|| are observed within double layers. The existence of double layers in the Earth's magnetosphere is well documented. In our simulation their formation is triggered by large parallel streaming of electrons into the reconnection region. These parallel electron fluxes are required for maintaining quasi-neutrality of the reconnection region and increase with decreasing values of the normalized electron pressure upstream of the reconnection region. A threshold normalized pressure is derived for strong double layers to develop. We also document how the electron confinement, provided in part by the structure in E||, allows sustained energization by perpendicular electric fields. The energization is a consequence of the confined electrons' chaotic orbital motion that includes drifts aligned with the reconnection electric field. The level of energization is proportional to the initial particle energy and therefore is enhanced by the initial energy boost of the acceleration potential, acquired by electrons entering the region. The mechanism is effective in an extended region of the reconnection exhaust allowing for the generation of superthermal electrons in reconnection scenarios, including those with only a single x-line. An expression for the phase-space distribution of the superthermal electrons is derived, providing an accurate match to the kinetic simulation results. The numerical and analytical results agree with detailed spacecraft observations recorded during reconnection events in the Earth's magnetotail.

研究动机与目标

• 解决空间等离子体中观测到的大尺度电子加速与有限的动能尺度耗散区域之间的矛盾。
• 研究在单 x 线磁重联中电子加速如何在扩展的空间尺度上发生。
• 识别非绝热平行电子动力学与 E∥ 结构在实现持续电子加热中的作用。
• 推导并验证一个与动能模拟和原位观测相匹配的超热电子相空间分布的解析模型。

提出的方法

• 采用反平行磁场重联的粒子-网格（PIC）模拟，以模拟喷流中电子的动力学行为。
• 通过电荷分离识别大尺度 E∥ 结构，确认其双层特性及局部电场分布。
• 利用磁心近似估算电子加速速率，尽管在低 B 区域电子轨道具有混沌性。
• 推导电子每次弹跳轨道的能量增益解析表达式，建立 E∥ 限制与 E⊥ 加热之间的关联。
• 将模拟得到的电子分布函数与地球磁层尾部航天器的原位测量结果进行比较。
• 基于上游电子 β 值（βₑ∞ < 0.02）推导双层形成的临界条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 在单 x 线磁重联中，是否可在动能尺度耗散区域之外的大空间尺度上生成超热电子分布？
• RQ2 尽管存在混沌电子运动，何种物理机制可实现重联喷流中电子的持续加速？
• RQ3 双层电场（E∥）如何在喷流中实现电子的约束与加速？
• RQ4 上游电子 β 值（βₑ∞）的临界阈值是多少，才能形成强双层结构并实现有效的电子加速？
• RQ5 模拟得到的电子相空间分布与地球磁层尾部原位航天器观测结果的匹配程度如何？

主要发现

• 当 βₑ∞ < 0.02 时，磁重联喷流中可形成大尺度双层电场（E∥），且最强 E∥ 值集中于双层内部。
• E∥ 结构将电子限制在喷流区域内，使其经历多次弹跳轨道，从而通过垂直电场（E⊥）实现持续加速。
• 电子加速与初始粒子能量成正比，并受平行加速势 eΦ∥ = e∫E∥dl 的增强，导致产生超热电子分布。
• 推导出的超热电子相空间分布解析表达式与动能模拟结果高度一致。
• 模拟与解析结果与地球磁层尾部航天器的原位观测结果高度一致，尤其在重联事件期间。
• 该机制适用于太阳耀斑等大尺度系统，其中 βₑ∞ 同样预期较低，可解释长寿命硬 X 射线源的形成。