太阳低色球部分电离等离子体环境下磁重联过程中的新发现

    我们在较为真实的色球中部环境下（太阳光球顶部500 km < h_z < 1500km）

研究了磁重联发生的物理机制和过程，模型中考虑了部分电离、双极扩散效应、辐射冷却和重力分层作用，磁雷诺数可达到10⁶-10⁷, 接近真实值的范围。在高分辨率的数值计算下，最高能分辨出四级磁岛联级过程, 最小电流片的宽度大约为30 m， 接近离子和中性粒子碰撞的平均自由程；磁重联率可达到0.01-0.03（如图1所示），与观测所得到的重联率在一个范围；磁重联出流的速度可达到40km s^-1，接近观测到的色球喷流的速度。

    其中很重要的一个数值实验结果是我们发现在在多级磁岛的边缘有很多

小尺度激波的出现(如图3所示)，这些激波结构能使初始温度为7000 K的等离子体被加热到80000 K以上（如图2所示），可能是色球磁重联过程中等离子体被加热的重要物理机制。该过程可用于解释最近H.Peter等人在太阳色球层温度极小区附近发现的温度高于80000K的等离子体团产生的原因(（Science 346, 1255726, 2014）)。

    另外，通过对比有无引导场、有无辐射冷却作用和有无双极扩散作用下数值模拟的结果。我们发现在有引导场的情况下，辐射冷却和双极扩散作用对磁重联过程的影响不明显。在没有引导场的情况下，辐射冷却和双极扩散都能使电流片更快地变窄，二级磁岛和快磁重联过程更早出现（如图4所示），但二级磁岛出现后，最终对磁重联率和等离子体温度影响不大（如图1所示）。辐射冷却作用不如双极扩散作用明显是因为程序中有加热项。

     这些工作发表在以下SCI文章中：

Ni , Lei; Kliem, Bernhard; Lin, Jun; Wu, Ning , “Fast magnetic reconnection in the solar chromosphere mediated by the plasmoid instability”, The Astrophysical Journal, Volume 799, Issue 1.(2015).

图1. 左图为在没有引导场的情况下，磁重联率随时间的演化。右图为在没有引导场的情况下，主X点的温度随时间的演化。黑线代表没有辐射冷却和双极扩散，红线代表有辐射冷却但无双极扩散，蓝线代表有双极扩散但无辐射冷却。

 日冕电流片中能量转化和谱分析的详细研究

通过2.5维的高精度磁流体力学数值模拟实验，我们研究了日冕电流片中磁能与热能和动能之间的转化和能量谱分布。我们的数值实验表明在接近日冕真实参数的低等离子体密度和等离子体β环境中，磁岛不稳定磁重联过程中很多慢模激波结构成对出现在磁岛的边缘（如图1所示），在这些激波结构出现的地方，等离子体能由初始1MK的温度被加热到30KM以上。在磁岛不稳定性磁重联和慢模激波出现前，被磁重联过程耗散的磁能只有20%转化成热能；在慢模激波结构出现后最终转化为热能的磁能达到60%以上。在二级磁岛出现后，沿着电流片方向磁能能谱不是一个简单的单幂律谱，谱指数随着波数的增加而增加，平均的谱指数为1.8，接近湍流的Kolmogorov湍流谱指数。我们还计算了随磁通量变化的磁岛分布函数，发现在中间大小的磁通量区间，磁岛的分布函数近单幂律谱(如图2所示)，这与Huang & Bhattacharjee, 2012 PhRvL结果一致。

以上工作发表在：

Ni , Lei; Lin, Jun; Mei Zhixing; Li Yan, “Numerical experiments on the detailed energy conversion and spectrum studies in a corona current sheet”, The Astrophysical Journal, Volume 812,  Issue 2, (2015).

图1.（a）磁力线和电流密度在t=210.1s时的分布，放大两个小的区域可看到慢模激波结构以及两个磁岛结合的过程。（b）两个小的区域的温度和速度的分布，可明显看到慢模激波结构。

图2. 磁岛分布方程随磁通量的分布。