磁场重联中电子尺度的物理过程

满恒妍，周 猛，钟志宏，邓晓华

1 南昌大学资源与环境学院，南昌 330031

2 南昌大学空间科学与技术研究院，南昌 330031

3 南昌大学物理与材料学院，南昌 330031

0 引言

磁场重联被认为是各种磁化等离子体系统中最基本的磁场能量释放机制之一.伴随着磁场拓扑结构的改变，这一过程可以将磁能快速转化为等离子体的动能和热能，导致带电粒子的加速和加热.磁场重联这一概念最早可以追溯到对高能粒子加速机制的研究.Giovanelli（1946）在研究太阳耀斑时，提到两条方向相反的磁力线相向运动时，磁力线会在某一点“相遇”，然后发生“磁场湮灭（magnetic annihilation）”，从而导致太阳耀斑中的强辐射.1958 年，Dungey 首次提出了“重联（reconnection）”这一名词，并在之后建立了首个地球开放磁层模型（Dungey,1958,1961）；Sweet（1958）和Parker（1957）率先将磁场重联作为局域现象进行了定量研究，提出了第一个磁场重联模型−Sweet-Parker 模型.该模型假设了重联扩散区的存在，认为等离子体携带着磁力线从上游的入流区进入扩散区，从下游的出流区流出.该重联模型的重联率和Lundqvist 指数呈反相关,而大多数空间和天体等离子体中的Lundqvist 指数在1010量级以上，对应着非常小的扩散区宽长比，因此该模型的重联率很低，不能解释一些快速的能量释放现象.为了解决上述问题，Petschek（1964）在Sweet-Parker 模型的基础上保留了重联扩散区，但是将扩散区的长度缩小，并加入慢激波，认为等离子体可以从上游经过两对慢激波被加速，使得重联率大幅增加.以上模型均假设存在一个有经典电阻的扩散区，而空间等离子体十分稀薄，可以忽略碰撞效应，没有经典电阻，故上述模型仍然难以解释无碰撞等离子体中观测到的爆发性能量释放.另外，Petschek 模型并非一个自洽的模型.于是一个新的无碰撞磁场重联模型−Hall 重联模型被提出（Birn et al.,2001），用于描述无碰撞等离子体中的磁场重联.Hall 重联模型如图1 所示，离子在离子惯性尺度内和磁场解耦，而电子依旧和磁力线冻结，形成离子扩散区；当尺度接近电子惯性尺度时，电子也和磁场解耦，形成电子扩散区.离子和电子的分离运动会在离子扩散区内产生Hall 电流，从而导致双极Hall 电场以及四级Hall 磁场的形成.目前普遍认为Hall 效应是快速重联的充分条件（Birn et al.,2001），但是否是必要条件还存在一定的争议（Bessho and Bhattacharjee,2005; Liu et al.,2017）.

图1 Hall 重联模型（修改自 Mozer et al.,2002）Fig.1 Hall Reconnection Model (modified from Mozer et al.,2002)

现阶段，仍有许多关于磁场重联的基础问题需要回答，例如：磁场重联是如何驱动的？导致磁力线断开的动理学过程是什么（Burch et al.,2016a）？卫星的原位观测是研究磁场重联重要且有效的方法，但却非常依赖于卫星的探测精度.2015 年磁层多尺度（Magnetospheric Multiscale,MMS）卫星发射之前，对磁场重联中电子尺度物理过程的直接观测十分困难，卫星观测研究主要集中在流体尺度和离子尺度.而MMS 卫星的顺利发射开启了电子尺度研究的新纪元.MMS 星簇由四颗相同的卫星组成，它们在空间中组成四面体队形进行探测，卫星间距仅为几千米到几十千米，远小于之前在磁层中探测的Cluster 星簇的卫星间距，可以提供前所未有的高精度数据.MMS 卫星的主要科学目标是揭示磁重联的电子尺度物理过程.由于磁力线最终在电子扩散区内断开并重新连接，且伴随着剧烈的磁能释放，故电子尺度的物理过程是近年来磁重联研究非常热门的方向之一.

本文主要依据南昌大学空间物理团队对磁场重联中电子尺度的物理过程所做的研究为主线进行总结概述.主要内容分为以下几个部分：（1）电子扩散区内的电子动理学对重联率和能量耗散的影响；（2）离子扩散区中电子尺度的相干结构和等离子体波动；（3）重联出流区中的电流片和磁通量绳在湍流的演化过程以及电子加速方面的作用；（4）磁场重联在电子尺度的触发机制，以及重联中的跨尺度耦合.

1 电子扩散区

如图1 所示，电子扩散区是电子与磁场解耦的区域，磁力线最终也是在该区域内完成“断开”和“重联”，因此该区域被认为是理解磁场重联如何发生的关键区域.

首先，电子扩散区被认为是磁场重联中能量耗散的关键区域.2011 年，Zenitani 等（2011）提出了一个新的物理量De～J·(E+Ve×B)来表示磁场能量的耗散，其正值表示磁场能量转化为等离子体能量，负值表示等离子体的能量转化为磁场能量.此后，这一参数被广泛用于MMS 的观测，来确定能量耗散发生的区域，并被认为是判断电子扩散区的一个重要指标（Burch er al.,2016; Torbert et al.,2018; Zhou et al.,2019a）.研究发现，在导向场较小的情况下，电子扩散区的能量耗散主要由垂直电场提供，而当导向场较大时，平行电场在能量耗散过程中起主导作用（Eriksson et al.,2016；Chen et al.,2019；Zhou et al.,2019a）.例如 Zhou 等（2019a）在地球磁尾的弱导向场重联中，发现电子扩散区内由反平行方向运动的电子携带的平行电流明显强于垂直方向的电流，对能量耗散起主要作用，并且这些电子很可能被沿导向场的平行电场所加速.

根据是否影响重联和能量耗散的正负等特征，人们通常把电子扩散区分为两部分：内电子扩散区[J·(E+Ve×B)> 0]和外电子扩散区[J·(E+Ve×B)<0].内电子扩散区包裹着重联X 线，电子呈现非回旋性，磁能转化为电子能量，其宽长比和重联率相关；外电子扩散区可以在重联下游方向延伸几十个离子惯性长度（Phan et al.,2007; Shay et al.,2007），并且电子能量转化为场的能量，其空间尺度和重联率无关.最近通过MMS 卫星观测研究发现，内电子扩散区的尺度和结构可能与我们的传统认知大相径庭.如图2 所示，在具有中等导向场的非对称磁场重联中，电子扩散区可以在X 线下游延伸至少20 个离子惯性长度（Zhong et al.,2020a）.该电子扩散区和此前认为的内电子扩散区有类似的特征，且具有强烈的能量耗散.因此，该电子扩散区提供的整体能量耗散要比之前认为的更多.区别于传统的离子扩散区内仅有一个电子扩散区的图像，Zhong 等（2022）通过MMS 卫星观测首次报道了一个离子扩散区内沿电流片法向同时存在多个电子扩散区的事件，还同时观测到这些电子扩散区附近存在多个电子流涡旋和对应的磁洞磁峰结构.他们证实了这些现象是三维情况下倾斜撕裂模不稳定性（Liu et al.,2013）和电子Kelvin-Helmholtz 不稳定性跨尺度耦合的结果.这些研究结果打破了我们对电子扩散区的固有印象，其形成和能量耗散机制可能涉及到多种不稳定性的协同作用，还需要我们进一步的研究.

图2 MMS 卫星观测到的延伸的电子扩散区示意图，di是离子惯性长度（修改自Zhong et al.,2020a）Fig.2 Schematic diagram of the extended electron diffusion region observed by the MMS satellite (modified from Zhong et al.,2020a)

研究电子速度相空间分布是研究电子动理学的一种有效且直观的方法.Hesse 等（2014）通过粒子网格模拟（particle-in-cell,PIC）发现，由于有限回旋半径效应，电子在垂直于磁场方向的速度相空间中呈新月形分布.MMS 卫星在磁层顶非对称重联的电子扩散区观测中首次证实了这一典型的电子分布特征（Burch et al.,2016b），并以这种速度分布函数作为电子扩散区观测的直接证据之一.后来，新月形电子分布在磁尾的反平行重联电子扩散区中也被观测到.有意思的是，即使在电磁场扰动很大的情况下，重联点附近的电子分布函数仍然呈现新月形分布（Torbert et al.,2018），这表明在重联点附近的电子动理学不受高频电磁扰动的影响.此外，电子在平行于磁场方向的速度空间中也会出现新月形分布（Burch and Phan,2016; Burch et al.,2016b;Shay et al.,2016; Dong et al.,2020），这是由于电子出流沿重联X 线向外流动导致的.在地球磁尾，Zhou 等（2019a）进一步发现，垂直方向的电子新月形分布往往只存在于电子扩散区边缘，而扩散区内部由于磁场的曲率半径极小导致了电子回旋相位的散射，使得电子在垂直于磁场方向呈现各向同性，因此新月形分布不再存在.针对于同一事件，Li 等（2019）认为电子在南北半球的反复弹跳运动是导致电子扩散区的中心区域呈现出各向同性分布的原因，并且新月形分布与Hall 电场以及电子曲折运动有密切关系.我们认为，电子扩散区内的不同位置可能呈现出不同的电子速度分布，并且新月形分布受多个因素的影响，因此，将新月形分布为电子扩散区的判断条件之一时应考虑个例的特殊性.

在无碰撞磁场重联中，等离子体波被认为可以提供必要的反常电阻来打破磁力线冻结条件，在触发重联中起关键作用.在电子扩散区中，非麦克斯韦分布的电子速度分布函数激发了多种等离子体波动.Cao 等（2017）通过MMS 卫星的高精度数据，在电子扩散区的内部发现大振幅的哨声波，这些哨声波由电子垂直温度各向异性激发，以较小的传播角从X 线向外传播，对磁场重联的电子尺度动理学有显著影响.不只是哨声波，其他波动在电子扩散区内也被观测到，例如在电子扩散区附近产生电子涡旋并有效地加热电子的低混杂漂移波（Chen et al.,2020）或者大振幅的静电波（Khotyaintsev et al.,2016; Graham et al.,2017; Li et al.,2020; Yu et al.,2021）等.这些波动通常由电子束、电子离子相互作用或电子新月形分布等相关的不稳定性激发，被认为可以在电子扩散区有效地加热电子、导致电子散射扩散和提供显著的反常效应.

重联率是磁场重联的重要参数，反映了磁场重联的快慢程度，一直以来都是磁场重联研究的核心问题.最常见的表征重联率的参数就是直接测量X线上的垂直重联平面方向的电场.之前的模拟发现，无论是反平行重联（Hesse and Winske,1998）还是导向场重联（Pritchett and Coroniti,2004; Pritchett,2005），在电子扩散区中，重联电场主要由广义欧姆定律中的电子压强梯度项平衡.Torbert 等（2016）通过对Burch 等（2016b）报道的磁层顶电子扩散区计算广义欧姆定律各项后发现，该电子扩散区内电子压强张量项和电子惯性项都起作用，其中电子压强张量项占主导，但它们并不能完全平衡非理想电场，这一区域内的波粒相互作用提供的反常电阻可能提供了额外的重联电场.而Egedal 等（2019）结合MMS 卫星观测和粒子模拟，对一个磁尾重联扩散区内的重联电场进行了分析，发现是电子压强张量的非对角项破坏了磁冻结条件.

电子扩散区的宽长比也是表征重联率的一种方式.Torbert 等（2018）估算了电子扩散区的宽长比为0.1～0.2，与理论预测的快速重联率一致.然而在Zhong 等（2020a）报道的延伸的电子扩散区事件中，该延伸的电子扩散区的宽长比非常小，约为0.004 5；但奇怪的是重联率依然很快，约为0.1.这表明这种延伸的电子扩散区并没有控制重联率.目前的理论还不能解释这种电子扩散区的形成，但这种延伸的电子扩散区的形成可能与导向场大小和非对称效应相关.

MMS 卫星提供的高精度数据为我们揭示了很多电子扩散区的新特征，但到目前为止，仍有许多关于电子扩散区的关键问题没有弄清楚，例如：电子扩散区内破坏电子冻结条件的物理机制到底是什么？用电子扩散区的宽长比估算的重联率准确吗？这些问题还需要进一步的结合观测和模拟来给出答案.

2 离子扩散区

由于离子扩散区的尺度较大，在之前的研究中，Hall 电磁场的存在已经被诸多卫星观测所证实，例如Geotail 卫星（Deng et al.,2001）和Wind 卫星（Øieroset et al.,2001）等，并且认为Hall 场一般是离子尺度的结构.Wang 等（2017）利用MMS 卫星的观测数据，首次揭示了在非对称无碰撞磁重联中电子尺度的Hall 磁场.除此之外，离子扩散区内还存在哪些电子尺度的物理特征呢？Zhou 等（2019b）详细地研究了离子扩散区中存在的电子尺度的动理学过程.例如：电子温度在远离中性片时呈各向异性，在中性片内呈各向同性.其中，电子的各向同性分布很可能是扩散区中心高度扭曲的磁力线导致的投掷角散射的结果，并且电子各向同性区域的厚度非常依赖于其到重联X 线的水平距离.另外，电流出现了分叉结构，而且能量转换和能量耗散主要发生在分叉电流的峰值处，而不是电流片的中心.这种分叉电流在地球磁尾很常见，之前人们利用其他卫星也有观测到（Hoshino et al.,1996; Runov et al.,2003）.它并不是磁场重联的一种独有特征，这种结构很可能是电子的曲折运动造成的.

在离子扩散区内观测到的一系列电子尺度的相干结构对能量转化和耗散十分重要.以次级磁通量绳为例，其产生机制主要有两种，一种是拉伸的薄电流片中的撕裂模不稳定性（Daughton et al.,2006；Drake et al.,2006）.这种位于X 点附近的磁通量绳被Cluster 卫星的观测所证实（Wang et al.,2010）.另外，Wang 等（2016）通过Cluster 卫星观测，发现重联扩散区内充满了由电子尺度薄电流片断裂产生的离子尺度次级磁通量绳.同时他们还发现多个磁通量绳之间可以两两合并，合并对应的重联发生在电子尺度电流片上.由于磁通量绳不断地产生与合并，磁场重联最终驱动了等离子体湍流的演化，从而可以更有效地释放磁能并加速加热等离子体；另外一种机制是电子流剪切能够驱动Kelvin-Helmholtz 不稳定性，它的非线性演化可以导致电子流涡旋，从而扭曲磁力线形成压缩的薄电流层，并触发次级磁重联产生次级磁通量绳（Fermo et al.,2012; Huang et al.,2015）.Zhong 等（2018）通过MMS 卫星给出了第一个原位观测证据，证明了重联产生的强电子剪切流导致了电子Kelvin-Helmholtz涡旋，并在主重联的离子扩散区中触发了次级重联，从而形成了次级通量绳.这一结果有力地说明了电子Kelvin-Helmholtz 不稳定性是重联扩散区能量耗散的重要机制之一.

除此之外，Zhong 等（2019a）首次报道了磁场重联扩散区内存在动理学尺度的电子涡旋磁洞（如图3 所示）.该磁洞可能由Biermann 电池效应产生的电子孤立波激发，然后通过被捕获电子的抗磁化漂移电流演化形成.由于该磁洞内存在较强的电流和非理想电场，因此为磁场重联提供了除电子扩散区以外的能量耗散通道.

图3 离子扩散区中电子尺度磁洞的示意图.（a）MMS 穿过两个磁通量绳之间的重联X 线的轨迹示意图；（b）一个放大的电子漩涡磁洞的示意图（修改自Zhong et al.,2019a）Fig.3 Schematic of the electron-scale magnetic holes in the ion diffusion region.(a) A sketch of MMS trajectory through the X line between the two FRs;(b) A zoomedin view of the electron vortex magnetic hole (modified from Zhong et al.,2019a)

等离子体波动可能在扩散区中对粒子动理学的改变和能量耗散起重要作用（Khotyaintsev et al.,2019）.Zhou 等（2014）利用Cluster 卫星观测对磁尾21 个重联离子扩散区中的低混杂波进行了统计，研究其空间分布和作用.结果发现低混杂波的振幅和等离子体β值密切相关，并且低混杂波的强度与高能电子率以及重联率都呈正相关.除了低混杂波外，Zhou 等（2016）利用MMS 卫星数据，还在日侧磁层顶的离子扩散区内观测到了高频静电波，在磁鞘侧分界线区域观测到了电子回旋谐波，在电流片中观测到了场向极化波，这些高频波对能量耗散的贡献不可忽视.Khotyaintsev 等（2020）研究了扩散区内的大振幅德拜尺度的静电波，发现它们主要是Buneman 波和电子束激发的波，它们的协同作用可以有效地导致电子的加热.Zhong 等（2021a）研究了非对称重联扩散区中的哨声波和宽频静电波，发现主要分布在重联磁分界线区域的平行哨声波和主要分布在电流片中心区域的倾斜哨声波以及宽频静电波是通过电子Pacman 分布演化联系在一起，而不是通过波—波相互作用.以上结果有利于我们理解等离子体波动在离子扩散区内的演化及其对应的动理学过程，有助于我们理解波动在磁场重联能量耗散中的作用.

3 重联出流区

出流区中经常观测到大小不一的磁通量绳，它们的演化也和电子尺度的物理过程紧密相关.Zhou等（2017）在磁层顶发现了两个大尺度磁通量绳的合并（如图4 所示）.MMS 卫星在合并过程中观测到了次级电子扩散区，这说明电子扩散区不局限于主重联X 线附近.另外，在电子扩散区内发现了超热电子的产生，说明磁通量绳的合并有可能有效加速电子.除此之外，地球磁尾的磁通量绳会与地球磁场发生电子尺度的磁场重联（Man et al.,2018,2020）.Man 等（2018）通过对地球磁尾地向传播的磁通量绳边缘的电子尺度的电流片进行研究，发现该电子尺度的电流片是磁通量绳和地球偶极磁场发生重联的电流片（如图5 所示），这一过程耗散了磁通量绳前端的磁场能量.最近，Zhong 等（2021b）还报道了发生在离子尺度磁通量绳边缘的三维电子重联.这种三维电子重联展示了一种新的三维磁通量绳的演化方式，即磁通量绳通过核心场重联被消耗.结合前面提到的磁尾离子扩散区磁通量绳的合并现象，我们发现大尺度磁通量绳的演化过程与电子尺度重联电流片密切相关，这一过程意味着可能存在一种跨尺度的磁能释放机制，即流体尺度或离子尺度上发生的重联产生一系列离子尺度的磁通量绳，将磁能储存于磁通量绳内，然后离子尺度的磁通量绳之间或离子尺度磁通量绳与背景磁场发生电子尺度的磁场重联，最终导致磁能的释放和粒子加速.

图4 （a～c）表示MMS 卫星在02:24～02:18 UT 时间段内观测到的磁场三分量、总磁场以及离子流；（d）MMS 卫星相对于磁层顶和磁通量绳的运动轨迹；（e）描述了图（d）中显示的虚拟MMS 卫星在两种不同情况下记录的BX 的变化：上面板是没有耗散的情况，下面板是两个磁通量绳之间有耗散的情况.（f）两个磁通量绳在GSM 坐标下的磁力线的三维示意图；（g）在L-N 平面上的磁通量绳合并和MMS 运动轨迹的放大二维视图（修改自Zhou et al.,2017）Fig.4 (a～c) Show the magnetic field and ion bulk velocity observed by MMS2 between 02:14 and 02:18 UT.(d) A schematic of MMS orbits relative to the magnetopause and magnetic flux ropes.(e) Depicts the variations of BX recorded by the virtual MMS spacecraft shown in (d) for two different cases:the upper panel is the case without dissipation while the lower panel is the case with dissipation between the two magnetic flux ropes.(f) A 3D schematic of field lines of two magnetic flux ropes in GSM coordinates;(g) A zoomed-in 2D view of the magnetic flux ropes coalescence and MMS configuration in the L-N plane(modified from Zhou et al.,2017)

图5 地向传播的磁通量绳和地磁场之间的重联区域的MMS 轨迹示意图.（a）在GSM 坐标下的X-Z 平面上的大尺度视图；（b）在LMN 坐标系下的L-N 平面上的重联扩散区域的放大视图（修改自Man et al.,2018）Fig.5 Schematics of MMS trajectory across the reconnection region between the magnetic flux rope and the geomagnetic field.(a) Large-scale view in the X-Z plane in GSM coordinates.(b) Zoomed-in view of the reconnection diffusion region in the L-N plane in LMN coordinate system (modified from Man et al.,2018)

在重联过程中，高能电子经常在中小尺度的磁通量绳中被观测到，而一个长期存在的问题是这些高能电子是如何产生的? Huang 等（2012）利用Cluster 卫星数据，在地球磁尾重联扩散区观测到了次级磁通量绳以及次级重联电流片，研究发现高能电子首先在电流片中被加速，然后被磁通量绳捕获并通过Fermi 和Betatron 机制进一步被加速.而Zhou 等（2018）利用三维大尺度粒子模拟在研究磁尾重联区附近的电子加速时发现，小尺度的磁通量绳在电子加速过程中起着重要的作用，并且平行电场加速在这一过程中占主导.那么磁通量绳内部的高能电子究竟是外部传入还是自身产生的呢？这一问题一直没有直接的观测证据.2020 年，Zhong等（2020b）首次从观测的角度定量地证明了次级磁通量绳内部可以导致局地的电子加速.通过对比磁通量绳内外的高能电子通量，他们发现内部高能电子通量高于外部，并且磁通量绳内部高能电子主要由Betatron 加速产生，而Fermi 加速只产生了热电子.此外，Zhong 等（2020b）还证明了高能电子在很短的时间内（小于1 s）就可以被加速几十keV 从而达到100 keV 的能量.这些研究说明离子尺度的磁通量绳对重联中的电子加速十分重要，其加速电子的方式有多种，包括平行电场加速、Fermi 加速和Betatron 加速.

重联锋面通常镶嵌在重联的高速出流中，是地球磁尾常见的相干磁结构之一，通常被认为是瞬态磁场重联的产物（Zhou et al.,2011; Fu et al.,2013），或重联出流和背景等离子体之间相互作用引起的交换不稳定性或动理学气球模不稳定性的产物（Pritchett et al.,2014; Liu et al.,2018a），或地向运动的磁通量绳前端被侵蚀（Lu et al.,2015; Man et al.,2018）后的产物.重联锋面对应着各种等离子体不稳定性，比如由密度梯度和电子喷流驱动的低混杂漂移波（Zhou et al.,2009; Pan et al.,2018），可以产生动理学尺度磁洞的电子镜像模不稳定性（Liu et al.,2021）以及电子温度各向异性激发的哨声波（Khotyaintsev et al.,2011）等.在重联锋面附近还可以观测到强电流和电场，例如在重联锋面的切向平面中观测到的由E×B漂移导致的强电流，该电流对应着明显的焦耳加热，对锋面处的能量转换十分重要（Liu et al.,2018b）；Zhou 等（2019c）报道了重联锋面及通量堆积区中存在多个电子尺度的垂直电流片的事件（如图6 所示），这些电子尺度的电流片对应着较强的磁能释放.它们可能是爆发性整体流中的湍流在非线性演化中形成的，对与爆发性整体流相关的能量转化有重要作用.那么重联锋面上的能量转化有什么特征呢？Zhong 等（2019b）通过对重联锋面上的能量转化与耗散的统计研究发现，重联锋面上主要是磁能向等离子体能量转化，并且离子在整个重联锋面上获得能量，而电子在重联锋面的前端获得能量，在后端失去能量.除此之外，重联锋面处经常能观测到高能电子.Ma 等（2020）利用MMS 卫星的高精度数据，量化计算了122 个重联锋面处Fermi、Betatron 以及平行电场三种加速机制的加速率.结果表明Betatron加速在重联锋面上占主导作用，Fermi 加速的加速率小于Betatron 加速，但是存在于更大的空间上；平行电场加速的加速率最小，可以忽略不计.这也很好理解，重联锋面处最显著的特点就是磁场堆积，而电子在锋面处磁化，根据第一绝热不变量守恒，磁场变强会导致Betatron 加速.

图6 在GSM 坐标系下，地球磁尾X-Z 平面和X-Y 平面中重联锋面和电子尺度电流片的示意图（修改自Zhou et al.,2019c）Fig.6 Schematic diagram of the reconnection front and electron-scale current sheet in the Earth magnetotail in the X-Z plane and X-Y plane in the GSM coordination(modified from Zhou et al.,2019c)

地球磁层中的磁场重联主要发生在磁层顶电流片和磁尾中性片这两个大尺度电流片内.由于撕裂模不稳定性或其他不稳定性的影响，大尺度电流片会破碎，形成小尺度电流结构.MMS 卫星的高精度数据为我们研究这些小尺度的电流结构提供了可能.Man 等（2021）利用MMS 卫星在磁层顶开展统计研究，发现在磁层顶边界层存在大量电子尺度的强电流结构，这些结构对整个磁层顶边界层的能量转换和耗散有显著的贡献，这使得我们对磁层顶动理学尺度结构在太阳风—磁层耦合过程中的重要性有了新的认识.而在地球磁尾的湍动重联出流区，Zhou 等（2021）报道了由主重联驱动的湍动出流中发生的次级重联事件.他们在湍动出流区的大量电流丝中发现了14 个次级电子重联，并且认为这些出流区中的次级重联为主重联提供了有效的磁能释放通道，这一结论与我们对日侧磁层顶边界层的强能量耗散事件的统计结果相同（Man et al.,2022），这也说明了动理学尺度结构在磁层的整体能量转化中起重要作用.

4 讨论

长期以来，磁重联被认为是等离子体湍流在动理学尺度耗散能量的重要机制.2018 年，Phan 等（2018）首次提出了“唯电子重联（electron-only reconnection）”的概念.通过MMS 卫星的高精度数据，他们发现唯电子重联中电子尺度的重联电流片并未镶嵌在更厚的离子尺度电流片中，并且没有出现明显的离子出流，这些都与标准重联不同.他们猜测这是由于重联电流片的长度太小从而使得离子无法参与重联.这是一种新的重联模式，即磁场能量可以在没有离子耦合的电子尺度电流片中被转化和耗散.随后，这种重联方式在日侧磁层顶和磁尾中都有被观测到（Man et al.,2018,2020; Zhou et al.,2021）.Huang 等（2021）发现在磁层顶具有“唯电子重联”特征的磁场重联也可以发生在离子尺度的电流片上，这一结论与地球磁尾“唯电子重联”的统计结果相一致（Hubbert et al.,2022），这为我们理解“唯电子重联”提出了新的挑战.就目前而言，唯电子重联中还有许多问题需要进一步研究，例如唯电子重联与传统重联相比，在整个磁层和磁鞘湍流中对能量耗散的贡献比是多少？以及离子无法参与磁重联的根本原因是什么？

地球磁尾也是能量爆发释放的一个重要场所，然而，受限于卫星观测数据的精度，磁场重联的触发机制一直存在争议.目前，地球磁尾磁场重联的驱动方式有两种，一种是离子物理过程驱动的磁场重联（Sitnov and Schindler,2010; Sitnov and Swisdak,2011），另外一种是强驱动环境中电子动理学触发的磁场重联.Wang 等（2018）报道了地球磁尾宏观尺度电流片中发生的电子尺度磁场重联.该重联过程中没有观测到任何与离子相关的重联特征，但是电子被加速和加热，表现出了典型的电子扩散区的特征.2020 年，Wang 等（2020）进一步比较研究了标准重联和唯电子重联的电子扩散区后，提出磁场重联触发是由电子主导的电子相阶段演化到由离子主导的离子相阶段.Lu 等（2020）结合MMS 卫星观测和粒子模拟，发现了地球磁尾磁场重联的触发过程起始于由电子动理学主导的电子尺度区域的证据，这与观测的结论是一致的.在地球磁尾磁岛合并的过程中，Man 等（2018）在对地球磁尾地向传播的磁通量绳与地球偶极子场之间重联的研究中发现，该重联也是唯电子重联.最近，Yi等（2022）利用全粒子模拟重现了磁岛合并中的唯电子重联.他们发现在唯电子重联过程中，离子仍然与重联电场相互作用，只是离子出流需要足够的时间来响应重联.以上有关唯电子重联和标准重联的研究表明，唯电子重联与重联的演化时间有关，是标准重联的早期阶段，也就是说标准重联是一个从“唯电子重联”发展到“离子重联”的过程.这些结果为唯电子重联提供了新见解，也为我们研究磁场重联触发问题提供了新的思路.

关于电子尺度物理过程的另一个重要前沿问题是：磁场重联中的能量如何实现跨尺度传输？不同尺度的物理过程在磁重联中是如何耦合的？综合前文提到的各种电子尺度的物理现象，我们发现磁层顶或磁尾大尺度电流片是由一系列小尺度的电流结构组成，这些小尺度电流结构内可能会产生次级磁场重联，使得磁场能量在电子尺度的电流片中被转化和耗散.除此之外，电流片破碎的过程中也会形成磁通量绳，这些磁通量绳之间的相互作用会使得整个区域呈现出更加湍动的状态，使得能量从大尺度输运到小尺度，最终到达动理学尺度.但这一问题目前仍然没有系统性的结论，需要进一步研究.

5 小结

磁场重联是将磁能快速转化为等离子体能量的一种有效机制，而磁场重联中电子尺度的物理过程对理解重联触发和能量快速释放十分重要.利用MMS 卫星提供的高精度数据，人们近年来对磁重联电子尺度物理过程的认识有了很大进步.电子扩散区不再是传统图像中的单一结构，而是在沿出流和入流方向都会出现多层结构，如沿出流方向会出现内电子扩散区和外电子扩散区，沿入流方向由于倾斜撕裂模的作用会出现多个内电子扩散区.但是电子扩散区内是否需要反常电阻来提供重联所需的电场，或者说在电子动量方程里重联电场由哪一项平衡的问题依然没有解决.在离子扩散区内，磁通量绳和电子涡旋磁洞可能对能量耗散起重要作用，而电子Kelvin-Helmholtz 不稳定性通过诱发次级重联，也是离子扩散区内能量耗散的重要机制.在重联出流区，磁通量绳和重联锋面的演化都对应着电子尺度电流结构的形成，它们对整个磁重联的能量耗散可能起着举足轻重的作用.电子尺度物理过程如何影响重联在宏观层面的演化，以及宏观尺度的边界条件如何影响电子尺度物理过程将是未来值得研究的关键问题.