[论文解读] Observations of an Electron-cold Ion Component Reconnection at the Edge of an Ion-scale Antiparallel Reconnection at the Dayside Magnetopause

Siqi Zhao, Hui Zhang+12 more|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2021

Ionosphere and magnetosphere dynamics参考文献 49被引用 5

一句话总结

基于2015年9月11日MMS在轨观测，本研究在日侧磁层顶的离子尺度反平行重连边界处识别出一种次级、电子冷离子重连过程。该过程主要由冷离子（10–500 eV）和电子主导，热离子无响应，首次提供了在强导向场条件下反平行重连与分量重连同时发生的观测证据。

ABSTRACT

Solar wind parameters play a dominant role in reconnection rate, which controls the solar wind-magnetosphere coupling efficiency at Earth's magnetopause. Besides, low-energy ions from the ionosphere, frequently detected on the magnetospheric side of the magnetopause, also affect magnetic reconnection. However, the specific role of low-energy ions in reconnection is still an open question under active discussion. In the present work, we report in situ observations of a multiscale, multi-type magnetopause reconnection in the presence of low-energy ions using NASA's Magnetospheric Multiscale data on 11 September 2015. This study divides ions into cold and hot populations. The observations can be interpreted as a secondary reconnection dominated by electrons and cold ions located at the edge of an ion-scale reconnection. This analysis demonstrates a dominant role of cold ions in the secondary reconnection without hot ions' response. Cold ions and electrons are accelerated and heated by the secondary process. The case study provides observational evidence for the simultaneous operation of antiparallel and component reconnection. Our results imply that the pre-accelerated and heated cold ions and electrons in the secondary reconnection may participate in the primary ion-scale reconnection affecting the solar wind-magnetopause coupling and the complicated magnetic field topology affect the reconnection rate.

研究动机与目标

• 研究低能离子在磁层顶重连中的作用，特别是其对重连速率和机制的影响。
• 确定冷离子是否能在离子尺度重连的边缘引发或主导次级重连过程。
• 考察在强导向场条件下，单一事件中反平行重连与分量重连的共存性。
• 评估冷离子主导的重连对等离子体加热与加速的影响，及其对主重连过程的潜在反馈作用。
• 通过分析冷离子的动力学与磁场拓扑结构，解决冷离子是否增强或抑制重连的开放性问题。

提出的方法

• 利用2015年9月11日MMS任务在磁层顶穿越期间的在轨多航天器观测数据。
• 通过能量和回旋半径尺度将离子分布分离为冷离子（10–500 eV）和热离子（500–30,000 eV）组分，开展多尺度分析。
• 应用Walén关系与电流连续性分析，识别电子-冷离子重连电流片，并在YGSE与XGSE平面内确认其动力学特性。
• 利用磁场与等离子体数据识别出强导向场（BM,e−ci−M1/Bph ≈ 5.7），表明存在分量重连。
• 开展广义欧姆定律分析，评估冷离子对流与密度对电场及重连动力学的调节作用。
• 将次级重连中电子与冷离子的喷流速度与冷离子阿尔文速度进行比较，确认冷离子动力学的主导作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 冷离子（10–500 eV）是否能驱动离子尺度反平行重连边缘的次级重连过程？
• RQ2 当热离子不存在时，冷离子在调节重连电场与重连速率方面发挥何种作用？
• RQ3 在单一多尺度事件中，是否存在分量重连（具有导向场）与反平行重连同时发生？
• RQ4 在次级重连区域，冷离子与电子如何被加速与加热？
• RQ5 次级重连中预加速的冷离子与电子在多大程度上影响主离子尺度重连？

主要发现

• 在离子尺度反平行重连边缘观测到以电子与冷离子（10–500 eV）为主导的次级重连过程，未检测到热离子响应。
• 次级重连中冷离子喷流与电子喷流速度均与冷离子阿尔文速度相当，证实其在该过程中的主导作用。
• 重连区域表现出强导向场（BM,e−ci−M1/Bph ≈ 5.7），表明存在显著的面外磁场分量，支持分量重连的存在。
• 电子-冷离子电流片在冷离子参考系中满足Walén关系，支持存在一个相干且局域化的重连过程。
• 次级重连加速并加热了冷离子与电子，提示其可能对主离子尺度重连存在反馈机制。
• 这是首次观测到反平行重连与分量重连同时发生的证据，挑战了将二者视为互斥过程的模型。