Investigation of the Effect of Transient and Temporal Variations on Magnetic Reconnection : Using Kinetic PIC Simulations

Abstract

Vårt univers består for det meste av forskjellige plasmamiljø. Disse er gjennomsyret av elektromagnetiske felt som er generert av plasmapartiklenes bevegelser. Fordi plasmapartiklene er frie partikler vil dynamikken deres hovedsakelig være styrt av interaksjonen mellom dem og de kollektive elektromagnetiske feltene, ikke interaksjonene mellom individuelle partikler. Én slik interaksjon mellom plasmapartikler og elektromagnetiske felt kalles magnetisk omkobling. Man kan påstå at dette er den viktigste plasmapartikkel-akselerasjonsprosessen i vårt nære verdensrom, så vel som i forskjellige astrofysiske og solare plasma. Magnetisk omkobling konverterer energi lagret i magnetfeltene til varme og bevegelse av plasmapartiklene gjennom endringer i den magnetiske forbindelsen. Dette er fasilitert av komplekse interaksjoner mellom de elektromagnetiske feltene og de ladde plasmapartiklene, og det skjer i en rekke forskjellige plasmamiljø og over svært forskjellige romlige og temporale størrelsesordener. Denne doktorgradsavhandlingen er et resultat av fire år med dedikert forskning på magnetisk omkobling gjennom kinetiske Particle-In-Cell simulasjoner. Målet har vært å bidra med flere biter til puslespillet av kunnskap og forståelse rundt fysikken bak magnetisk omkobling som har blitt akkumulert gjennom flere tiår med forskning gjort av det vitenskapelige miljøet.

Vi har undersøkt hvordan magnetisk omkobling påvirkes av forbigående variasjoner i innstrømningsregionene, både i partikkelkomposisjonen og i konfigurasjonen til det magnetiske feltet. I artikkel I simulerer vi en omkoblingshendelse som inkluderer en tett populasjon av kalde ioner i innstrømningsregionene. I artikkel II simulerer vi en omkoblingshendelse hvor retningen på det magnetiske feltet endrer seg i løpet av omkoblingsprosessen. Begge disse undersøkelsene viser at omkoblingsprosessen blir påvirket av disse forbigående endringene i innstrømningstilstandene på både store og små skalaer. Ved å nøye undersøke dynamikken til plasmapartiklene på små skalaer forklarer vi hvordan effektene på store og små skalaer er koblet sammen. I artikkel I viser vi at det temporale treghetsmomentet til ionene forårsaket av motgående partikkelbevegelser er opphavet til kommunikasjonen mellom de forskjellige skalaene. I artikkel II viser vi at store, ikke-lineære variasjoner i omkoblingsraten er forårsaket av romlig-temporale endringer i flukstransporten inn til omkoblingen, som igjen kommer av modifikasjoner i den magnetiske spenningskraften. Videre viser vi at variasjonene i innstrømningsregionen gjør utstrømningsregionen mindre laminær, og flere signaturer av innstrømningsvariasjonene overlever omkoblingsprosessen. I artikkel III undersøker vi hvordan magnetisk omkobling kan starte i et strømningssjikt som i utgangspunktet er stabilt. Ved å drive simulasjonen med et elektrisk felt langs grensene startes magnetisk omkobling uten bruk av en magnetisk perturbasjon i strømningssjiktet. Vi identifiserer to karakteristiske signaturer på at omkobling starter i elektrondistribusjonene i fase-rommet som er tilstede rett før omkoblingen starter. Disse signaturene korresponderer til småskala endringer i elektronenes dynamikk assosiert med at strømningssjiktet blir tynnere og med akselerasjon fra det elektriske feltet som peker ut av planet. Resultatene av forskningen i disse tre artiklene bidrar til det overordnede målet om å til sammen akkumulere en full forståelse av magnetisk omkobling som en fysisk prosess som eksisterer overalt.

The vast majority of the Universe consists of different plasma environments. These are permeated by electromagnetic fields generated by the motion of the charged plasma particles. Since the plasma particles are free, their dynamics are often governed by their interaction with the collective electric and magnetic fields, rather than individual particle-particle interactions. One such interaction is called magnetic reconnection. It is arguably the most important plasma acceleration process in our near space environment, as well as in solar and different astrophysical plasma. Magnetic reconnection converts energy stored in magnetic fields into heat and bulk motion of the plasma particles through changes in the magnetic connectivity. It is facilitated by complex interactions between the electromagnetic fields and the charged plasma particles, and occurs in many different plasma environments and over vastly different spatial and temporal scales. This PhD-thesis is the result of four years of dedicated research of magnetic reconnection using fully kinetic Particle-In-Cell simulations. The goal has been to add pieces to the puzzle of knowledge and understanding of the physics of magnetic reconnection, which has been accumulated over decades of research by the scientific community.

We have investigated how magnetic reconnection is influenced by transient variations in the inflow regions, both in particle composition and magnetic field configuration. In paper I, we simulate a reconnection event including a dense population of cold ions in the inflow region. In paper II, we simulate a reconnection event where the direction of the inflow magnetic field is changed during reconnection. These two investigations show that the reconnection process is affected by the transient changes in the inflow conditions on both large and small scales. By close inspection of the small scale dynamics of the plasma particles and the electromagnetic fields, we explain how the large and small scale effects of the variations are connected. In paper I, the temporal inertia of the ions due to counter-streaming is shown to be the mediator between the different scales. In paper II, large scale, non-linear variations in the reconnection rate are shown to be caused by spatio-temporal changes in the inflow flux transport due to modifications of the magnetic tension. Additionally, the variations in the inflow region are shown to cause the outflow to be less laminar, with various signatures of the inflow variations surviving the reconnection process. In paper III, we investigate how magnetic reconnection can initiate in a current sheet which is initially stable. By driving the simulation with an electric field at the boundaries, reconnection is initiated without an initial magnetic field perturbation imposed in the current sheet. We identify two characteristic signatures of reconnection onset in the electron phase-space distributions which were present immediately before the onset of reconnection took place. These signatures correspond to small scale changes in the electron dynamics associated with the thinning of the current sheet and acceleration by the out-of-plane electric field. The results of the research in these three papers contribute to the larger goal of collectively accumulating a full understanding of magnetic reconnection as a ubiquitous, physical process.