范費(fèi)彬,謝錦林,陸全明,張喬楓,丁衛(wèi)星,桑龍龍,孫 玄,鄭 堅(jiān)
(1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 地球和空間科學(xué)學(xué)院,中國(guó)科學(xué)院近地空間環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;2.中國(guó)科學(xué)院 比較行星學(xué)卓越創(chuàng)新中心;3.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 物理學(xué)院,中國(guó)科學(xué)院近地空間環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室:合肥230026)
空間環(huán)境中充滿等離子體,其中發(fā)生的物理過(guò)程所產(chǎn)生的高能帶電粒子可能對(duì)航天器安全造成重要影響。磁場(chǎng)重聯(lián)是空間等離子體中的基本物理過(guò)程,重聯(lián)發(fā)生時(shí)相互反向的磁力線彼此靠近,隨后磁力線的拓?fù)湮恍伟l(fā)生改變,并伴隨著磁能向等離子體熱能和動(dòng)能的轉(zhuǎn)化。磁場(chǎng)重聯(lián)作為重要的磁能轉(zhuǎn)化機(jī)制,在太陽(yáng)耀斑、日冕物質(zhì)拋射以及磁層亞暴等爆發(fā)性空間現(xiàn)象中都扮演著非常重要的角色[1]。太陽(yáng)耀斑能在幾分鐘到幾十分鐘的時(shí)間內(nèi)釋放出高達(dá)1026J 的能量,引起等離子體的加熱加速及各種電磁和粒子輻射的突然增強(qiáng)。日冕物質(zhì)拋射可向行星際空間拋射出1011~1013kg 的物質(zhì),釋放1023~1025J 的能量[2-3]。磁層亞暴發(fā)生在地球磁層中,可以引起整個(gè)磁層系統(tǒng)的劇烈變化,一次典型的磁層亞暴期間釋放大約1015J 的磁能[4]。這些爆發(fā)現(xiàn)象常常伴隨著高能粒子及輻射的產(chǎn)生,能夠誘發(fā)災(zāi)害性空間環(huán)境事件,導(dǎo)致衛(wèi)星故障、通信中斷等事故[5]。對(duì)磁場(chǎng)重聯(lián)的深入研究,有助于我們進(jìn)一步理解這些爆發(fā)現(xiàn)象,對(duì)空間災(zāi)害預(yù)報(bào)以及各種空間探測(cè)活動(dòng)都有重要意義。
磁場(chǎng)重聯(lián)的概念最初來(lái)源于對(duì)太陽(yáng)耀斑的研究,由Giovanelli于1946年提出[6]。隨后,由Sweet[7]和Parker[8]發(fā)展出了第一個(gè)定量的穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)重聯(lián)模型,將磁場(chǎng)重聯(lián)近似為一個(gè)二維不可壓縮磁流體動(dòng)力學(xué)(MHD)問題,并提出其本質(zhì)為邊界層問題;通過(guò)邊界層分析估算出了重聯(lián)的速率。在Sweet-Parker 模型中,兩側(cè)等離子體攜帶反向磁力線由入流區(qū)向中間區(qū)域運(yùn)動(dòng),形成長(zhǎng)薄電流片;重聯(lián)發(fā)生后磁能通過(guò)歐姆加熱耗散,轉(zhuǎn)化為等離子體的熱能和動(dòng)能;被加熱加速的等離子體隨后向出流區(qū)流出,離開擴(kuò)散區(qū)。Sweet-Parker 模型給出了重聯(lián)速率R與Lundquist 數(shù)S=μ0VAL/η(其中,VA為阿爾芬速率,L為重聯(lián)特征尺寸——電流片寬度,η為等離子體電阻率)之間的關(guān)系R=1/。但在大多數(shù)空間等離子體物理過(guò)程中,Lunquist 數(shù)都是一個(gè)很大的值,對(duì)應(yīng)的重聯(lián)速率非常小,不足以解釋空間中的爆發(fā)現(xiàn)象。
為了解決Sweet-Parker 模型重聯(lián)過(guò)慢的問題,Petschek[9]在1964年提出了一個(gè)修正后的重聯(lián)模型。在這一模型中:擴(kuò)散區(qū)長(zhǎng)度被縮短,局限在一個(gè)很小的區(qū)域中,入流區(qū)與出流區(qū)被X 型分離線分隔,在出流區(qū)邊界及兩側(cè)分離線上存在2對(duì)楔形慢激波;等離子體不再局限于通過(guò)擴(kuò)散區(qū)的歐姆加熱獲得能量,也可以直接通過(guò)激波得到加速并進(jìn)入出流區(qū),重聯(lián)速率極大提高,達(dá)到了R=1/lnS。
在上面介紹的2個(gè)模型中,能量的耗散主要依靠歐姆定律中的電阻項(xiàng) ηj,其中等離子體電阻率η正比于碰撞頻率vei。在絕大部分空間等離子體區(qū)域中,等離子體都非常稀薄,其平均自由程遠(yuǎn)大于等離子體區(qū)域的特征尺度,碰撞頻率遠(yuǎn)小于區(qū)域中的等離子體頻率,因此可以視為無(wú)碰撞等離子體。在這種情況下,電阻項(xiàng)通常會(huì)變得很小,不足以提供解釋空間環(huán)境中爆發(fā)現(xiàn)象所要求的重聯(lián)電場(chǎng),因此發(fā)展出無(wú)碰撞磁場(chǎng)重聯(lián)模型。
在無(wú)碰撞磁場(chǎng)重聯(lián)模型中,將等離子體看成由電子流體和離子流體2種成分組成,分別討論它們各自的運(yùn)動(dòng)以及兩者之間的耦合。圖1為無(wú)碰撞磁場(chǎng)重聯(lián)模型示意:由于電子和離子的質(zhì)量不同,它們會(huì)在不同尺度上與磁場(chǎng)解耦,形成一個(gè)雙層擴(kuò)散區(qū)結(jié)構(gòu)?;疑珔^(qū)域?yàn)槌叨容^大的離子擴(kuò)散區(qū),其大小通常與離子慣性長(zhǎng)度di=c/ωPi(其中,c為光速,ωPi為離子等離子體頻率)相當(dāng)。在離子擴(kuò)散區(qū)內(nèi),離子先行與磁場(chǎng)解耦,不再與磁力線凍結(jié),運(yùn)動(dòng)方向由上下兩側(cè)向內(nèi)的入流轉(zhuǎn)為向左右兩側(cè)的出流;而電子在該區(qū)域中仍受磁力線影響,沿分離線外側(cè)磁力線向X 點(diǎn)方向入流。當(dāng)電子進(jìn)入尺度更小的電子擴(kuò)散區(qū)(藍(lán)色區(qū)域,大小約為電子慣性長(zhǎng)度de=c/ωPe,其中ωPe為電子等離子體頻率。)后,將與磁場(chǎng)解耦并被加速,然后沿分離線內(nèi)側(cè)磁力線流出。在離子擴(kuò)散區(qū)中,由于電子和離子的分離運(yùn)動(dòng),會(huì)發(fā)生電荷分離,產(chǎn)生Hall電流,形成一個(gè)四極結(jié)構(gòu)的面外磁場(chǎng)[10]。
圖1 無(wú)碰撞磁場(chǎng)重聯(lián)模型Fig.1 Collisionless magnetic reconnection model
衛(wèi)星觀測(cè)、數(shù)值模擬和地面實(shí)驗(yàn)是目前研究磁場(chǎng)重聯(lián)的主要手段。衛(wèi)星觀測(cè)通過(guò)分析星載儀器測(cè)量到的物理參數(shù),來(lái)研究真實(shí)發(fā)生在空間中的磁場(chǎng)重聯(lián)。數(shù)值模擬則借助計(jì)算機(jī),通過(guò)一定的算法自洽地得到物理量的演化,來(lái)研究磁場(chǎng)重聯(lián)。這2種研究方法各有其優(yōu)勢(shì),但也都有一定的限制:衛(wèi)星觀測(cè)只能對(duì)衛(wèi)星軌道上的物理量進(jìn)行測(cè)量,無(wú)法對(duì)重聯(lián)的空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面、細(xì)致的研究,并且具有隨機(jī)性,無(wú)法保證衛(wèi)星軌道能夠穿過(guò)重聯(lián)區(qū)域;數(shù)值模擬受制于計(jì)算機(jī)的性能,目前還無(wú)法對(duì)磁重聯(lián)所包含的微觀和宏觀物理過(guò)程的全貌同時(shí)進(jìn)行研究,模擬過(guò)程與真實(shí)的重聯(lián)過(guò)程間尚有差距。而磁場(chǎng)重聯(lián)的地面實(shí)驗(yàn)由于可以在等離子體裝置中產(chǎn)生真實(shí)的磁場(chǎng)重聯(lián),并且其測(cè)量具有全面性、主動(dòng)性、多點(diǎn)同時(shí)及高精度等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)成為磁場(chǎng)重聯(lián)研究的一種重要手段,越來(lái)越受到重視。
磁場(chǎng)重聯(lián)的地面實(shí)驗(yàn)研究從20世紀(jì)70年代開始興起,已有近50年的歷史?,F(xiàn)在國(guó)際上已有多個(gè)用于磁場(chǎng)重聯(lián)研究的成熟實(shí)驗(yàn)裝置。它們各有特點(diǎn),產(chǎn)生等離子體的方式以及構(gòu)造重聯(lián)位型并驅(qū)動(dòng)重聯(lián)發(fā)生的方法各不相同,所關(guān)注的物理問題也各有側(cè)重。加州大學(xué)洛杉磯分校的LCD(Large Cathode Device)裝置和普林斯頓等離子體物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的MRX(Magnetic Reconnection eXperiment)裝置為其中最有代表性的裝置。
LCD裝置是最早對(duì)磁場(chǎng)重聯(lián)進(jìn)行系統(tǒng)性研究的實(shí)驗(yàn)裝置之一[11]。它是一個(gè)線性等離子體裝置,通過(guò)氧化物陰極源產(chǎn)生一個(gè)大尺度(直徑1 m、長(zhǎng)度2 m)的均勻等離子體柱,等離子體密度ne約為1018m-3,電子溫度Te約為10 eV。裝置周圍有線圈產(chǎn)生12~100 G 的軸向磁場(chǎng)用于約束等離子體柱,并在重聯(lián)中作為引導(dǎo)場(chǎng)。其重聯(lián)磁場(chǎng)位型的構(gòu)建是通過(guò)在2塊平行導(dǎo)體板上通同向電流,在導(dǎo)體板之間產(chǎn)生反向磁力線(如圖2所示);導(dǎo)體板上所通電流為脈沖電流,其上升沿和下降沿階段會(huì)使磁力線向內(nèi)擠壓或向外拖曳,進(jìn)而驅(qū)動(dòng)重聯(lián)的發(fā)生。
20世紀(jì)80年代初期,Stenzel 和Gekelman 等在LCD裝置上對(duì)磁場(chǎng)重聯(lián)進(jìn)行了一系列系統(tǒng)性研究,對(duì)重聯(lián)中的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了細(xì)致的測(cè)量和分析[12]。如圖3(a)所示,他們研究了長(zhǎng)薄電流片的快速形成,發(fā)現(xiàn)電流片的厚度與軸向磁場(chǎng)的大小成反比,進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)在引導(dǎo)場(chǎng)重聯(lián)中電流片會(huì)被撕裂為多個(gè)磁島[13-14]。在電流片兩端電子溫度顯著升高(見圖3(b)),證明電子加熱主要發(fā)生在電流片邊界處[13]。圖3(c)展示了實(shí)驗(yàn)中離子的速度分布,通過(guò)分析離子的運(yùn)動(dòng)以及受力,發(fā)現(xiàn)等離子體中的波動(dòng)對(duì)離子的加速有很大的影響[15]。此外,他們還對(duì)重聯(lián)中電阻率、能量轉(zhuǎn)換、電流分布等許多問題進(jìn)行了詳細(xì)研究[16-17]。
圖2 LCD裝置重聯(lián)位型構(gòu)建示意[11]Fig.2 Schematic diagram of magnetic reconnection structure in LCD
圖3 LCD裝置上的磁場(chǎng)重聯(lián)研究結(jié)果示例[12-14]Fig.3 Experimental results of magnetic reconnection in LCD
MRX 裝置(如圖4(a)所示)從20世紀(jì)90年代初建成以來(lái),對(duì)磁場(chǎng)重聯(lián)進(jìn)行了大量研究,得到了很多重要結(jié)果,是最成熟的重聯(lián)實(shí)驗(yàn)裝置之一。其為環(huán)型裝置,中心有2個(gè)相互平行的線圈環(huán),上面同時(shí)纏繞著4匝極向場(chǎng)(PF)線圈以及36匝環(huán)向場(chǎng)(TF)線圈。TF線圈圍繞環(huán)截面螺線纏繞,通上脈沖電流后可在周圍通過(guò)感生電場(chǎng)電離出等離子體,產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)所需等離子體背景[18-19]。PF線圈沿大環(huán)纏繞,中心軸為z軸,通上同向電流之后可以產(chǎn)生2個(gè)環(huán)之間的重聯(lián)反向磁場(chǎng)位型(如圖4(b)所示)。通過(guò)改變PF線圈中所通電流,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)重聯(lián)驅(qū)動(dòng)的控制。通過(guò)改變參數(shù)調(diào)節(jié)等離子體平均自由程,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)中性片形狀隨碰撞強(qiáng)度發(fā)生變化,反常電阻率與經(jīng)典電阻率之比也會(huì)隨著碰撞減弱而增大[20]。實(shí)驗(yàn)中還首次觀測(cè)到無(wú)碰撞重聯(lián)中四極結(jié)構(gòu)的面外磁場(chǎng),證明了重聯(lián)中Hall 效應(yīng)的存在[21]。
圖4 MRX 裝置及其重聯(lián)位型示意Fig.4 MRX device and illustration of magnetic reconnection
除LCD和MRX 之外,進(jìn)行磁場(chǎng)重聯(lián)實(shí)驗(yàn)研究的裝置還有TS-3[22](Todai Spheromak 3)及SSX[23](Swarthmore Spheromak eXperiment)球馬克裝置、俄羅斯的CS-3D(Current Sheet-3D)裝置[24]、麻省理工學(xué)院的VTF(Versatile Toroidal Facility)裝置[25]、洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的RSX(Reconnection Scaling eXperiment)裝置[26]以及威斯康星大學(xué)的TREX(new Terrestrial Reconnection EXperiment)裝置[27]等。這些裝置都各有特點(diǎn),并取得了較好的研究結(jié)果。
國(guó)內(nèi)的磁場(chǎng)重聯(lián)地面實(shí)驗(yàn)研究起步較晚,但近年來(lái)越來(lái)越受到重視。2003年起,張壽彪等基于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的線性磁化等離子體裝置(KLMP),開始磁場(chǎng)重聯(lián)地面實(shí)驗(yàn)探索。經(jīng)過(guò)10多年的發(fā)展,現(xiàn)已搭建起較為完善的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
KLMP為線性裝置,其基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。裝置主真空室為長(zhǎng)度2 m、直徑25.5 cm 的圓筒,其上每間隔20 cm 開有4個(gè)法蘭,以方便實(shí)驗(yàn)的診斷。等離子體由裝置右側(cè)氧化物陰極源產(chǎn)生。氧化物陰極源為直徑15 cm 的面源,由氧化鋇、氧化鍶和氧化鈣粉末混合噴涂而成。通過(guò)在陰極和鄰近的陽(yáng)極之間施加約40 V 的偏壓,可以從陰極表面發(fā)射約2 A/cm2的高能電子流,高能電子電離背景氣體Ar 氣后產(chǎn)生等離子體。裝置工作在脈沖模式下,每秒放電1次,產(chǎn)生1個(gè)持續(xù)20 ms的柱形等離子體。等離子體參數(shù)為:密度1017~1019m-3,電子溫度3~10 eV,離子溫度約0.5 eV。裝置周圍有12匝線圈,可以產(chǎn)生0~1000 G 的軸向磁場(chǎng),用于約束并引導(dǎo)等離子體由源區(qū)向后端擴(kuò)散,并可作磁場(chǎng)重聯(lián)實(shí)驗(yàn)中的引導(dǎo)場(chǎng)。
KLMP裝置中磁場(chǎng)重聯(lián)位型由2 根沿軸向相互平行的導(dǎo)體棒實(shí)現(xiàn),如圖6所示。導(dǎo)體棒之間間距10 cm,在通上同向脈沖電流后會(huì)在中間區(qū)域產(chǎn)生反向磁場(chǎng),形成重聯(lián)磁場(chǎng)位型。脈沖電流波形如圖7所示,在上升沿,導(dǎo)體棒中產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)向中間區(qū)域擠壓,驅(qū)動(dòng)重聯(lián)發(fā)生。驅(qū)動(dòng)電流的電源為專門研制,為研究重聯(lián)觸發(fā)以及驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度對(duì)重聯(lián)的影響提供保障,可以分別調(diào)節(jié)上升沿的斜率及持續(xù)時(shí)間,總電流最大可以達(dá)到10 kA。
圖6 KLMP的磁場(chǎng)重聯(lián)位型構(gòu)建示意Fig.6 Schematic diagram of magnetic reconnection structure in KLMP
圖7 KLMP 的磁場(chǎng)重聯(lián)驅(qū)動(dòng)脈沖電流波形Fig.7 Waveform of the pulsed magnetic reconnection drive current in KLMP
實(shí)驗(yàn)中主要診斷手段是搭載有磁探針和靜電探針的二維移動(dòng)探針平臺(tái)。磁探針由2個(gè)相互垂直的磁線圈組成,用于測(cè)量重聯(lián)截面內(nèi)水平和垂直方向的磁場(chǎng)。靜電探針由4個(gè)探針頭組成探針組,用于測(cè)量等離子體密度、電子溫度以及懸浮電位。這2種探針集成在一個(gè)可移動(dòng)基座上,通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)截面內(nèi)二維移動(dòng)。由于裝置提供脈沖放電,且重復(fù)性很好,可以通過(guò)逐點(diǎn)掃描重構(gòu)出整個(gè)截面的參數(shù)分布。此外,實(shí)驗(yàn)中還使用回路電場(chǎng)探針和羅戈夫斯基線圈測(cè)量了面外電場(chǎng)及面外電流,用Phantom v12.1高速相機(jī)采集了等離子體的可見光分布。
圖8為最近磁場(chǎng)重聯(lián)實(shí)驗(yàn)中測(cè)量到的離子飽和流、等離子體懸浮電位及磁場(chǎng)拓?fù)湮恍碗S時(shí)間的演化,圖中黑色實(shí)線為磁場(chǎng)拓?fù)湮恍?。離子飽和流正比于等離子體密度,其分布可以看作等離子體密度分布。由圖8可見:隨著重聯(lián)驅(qū)動(dòng)電流的爬升,磁力線形成了一個(gè)典型的重聯(lián)X 點(diǎn)型分布;等離子體密度明顯增加,并且由初始的均勻圓形分布演化為略微傾斜的扁長(zhǎng)型分布,之后等離子體向兩側(cè)流出,中心處等離子體逐漸排空。
圖8 實(shí)驗(yàn)測(cè)得的離子飽和流、等離子體懸浮電位及磁場(chǎng)拓?fù)湮恍碗S時(shí)間的演化Fig.8 Time evolution of ion saturation current,floating voltageand magnetic field topology
圖9為高速相機(jī)拍攝的等離子體可見光隨時(shí)間的演化。等離子體可見光強(qiáng)度與等離子體密度以及電子溫度有關(guān),在一定程度上可以表征密度演化。從圖9可以看到,光強(qiáng)的演化趨勢(shì)與密度演化非常相似。這些結(jié)果都和磁場(chǎng)重聯(lián)的理論符合[28]。
圖9 等離子體可見光隨時(shí)間的演化Fig.9 Time evolution of visiblelight from plasma
通過(guò)磁場(chǎng)拓?fù)湮恍偷难莼?,結(jié)合面外電流以及重聯(lián)中磁通量隨時(shí)間的變化,已經(jīng)證明在KLMP裝置中實(shí)現(xiàn)了磁場(chǎng)重聯(lián)[29]。在最新的實(shí)驗(yàn)中,還進(jìn)一步研究了反常電阻隨重聯(lián)驅(qū)動(dòng)的變化以及重聯(lián)X 點(diǎn)附近的廣義歐姆定律。
除了KLMP裝置外,國(guó)內(nèi)還有2個(gè)正在搭建中的磁場(chǎng)重聯(lián)實(shí)驗(yàn)裝置,分別為中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的KRX(Keda magnetic Reconncion eXperiment)裝置以及哈爾濱工業(yè)大學(xué)的AREX(Asymmetric REconnection eXperiment)裝置[30]。
KRX 裝置的設(shè)計(jì)基于KLMP裝置的經(jīng)驗(yàn)摸索,同樣為線性裝置,其結(jié)構(gòu)如圖10所示。裝置主體真空室長(zhǎng)10 m、直徑3 m,裝置內(nèi)2塊平行導(dǎo)體板通上電流后可在中心產(chǎn)生磁場(chǎng)重聯(lián)。等離子體密度預(yù)計(jì)為1016~1019m-3,電子溫度5~100 eV,對(duì)應(yīng)Lundquist 數(shù)最高可達(dá)到105。KRX 中,重聯(lián)實(shí)驗(yàn)區(qū)大小可達(dá)到2.5 m×1 m,尺度超過(guò)了10di,因此在KRX 裝置中可以同時(shí)研究重聯(lián)中電子尺度和離子尺度的物理過(guò)程;同時(shí),大尺度的真空室極大減小了邊界效應(yīng)的影響。KRX 裝置中除了常用的探針診斷外,還將使用一些微波和主動(dòng)光學(xué)診斷,如:通過(guò)平面激光誘導(dǎo)熒光(PLIF)診斷獲取高時(shí)間分辨率的等離子體密度分布以及離子速度分布;基于太赫茲固體源的微波干涉/極化儀可以提供亞毫米空間分辨率的密度和磁場(chǎng)數(shù)據(jù);湯姆孫散射可以進(jìn)行高精度的電子溫度測(cè)量。這些先進(jìn)的診斷方法將幫助KRX 裝置獲得更加可靠、詳細(xì)、高精度的重聯(lián)相關(guān)數(shù)據(jù),使其能夠?qū)Υ艌?chǎng)重聯(lián)進(jìn)行更加精細(xì)的研究。
圖10 KRX 裝置設(shè)計(jì)效果Fig.10 Sketch of the KRX facility
AREX(Asymmetric REconnection eXperiment)裝置的主要研制目的是研究地球磁層中的非對(duì)稱磁場(chǎng)重聯(lián)。裝置通過(guò)一組特別設(shè)計(jì)的線圈產(chǎn)生類似于磁層頂?shù)拇艌?chǎng)位型,模擬行星際磁場(chǎng)與地磁場(chǎng)的相互作用;通過(guò)調(diào)節(jié)等離子參數(shù)與線圈的設(shè)置,可以產(chǎn)生不同類型、不同結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)重聯(lián)[30]。
地面實(shí)驗(yàn)是磁場(chǎng)重聯(lián)的重要研究手段,在國(guó)際上已有數(shù)個(gè)成熟的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行磁場(chǎng)重聯(lián)的研究。國(guó)內(nèi)的磁場(chǎng)重聯(lián)實(shí)驗(yàn)研究也在快速發(fā)展中,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的KLMP裝置進(jìn)行了相應(yīng)的磁場(chǎng)重聯(lián)實(shí)驗(yàn)研究,取得了初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。