磁场重联是空间、天体和实验室等离子体中一种重要的物理过程,它能改变磁场拓扑位形,同时将磁能快速转化为等离子体的动能和热能。磁场重联是日地系统中许多爆发现象的主要原因,如太阳耀斑、磁层亚暴等,对于磁场重联的理解能够帮助我们减少这些爆发现象给人类社会带来的危害和损失。磁通量绳是磁场重联的重要产物,其中,离子尺度的磁通量绳能显著影响磁场重联中的重联率、电子加速、磁能耗散等,因此对于离子尺度磁通量绳的研究一直是磁场重联中的重要课题。在磁层多尺度（MMS）卫星计划发射之前,受限于卫星仪器的时间分辨率,对于离子尺度磁通量绳的卫星观测研究比较少,主要研究手段是通过数值模拟。在本论文中,我们使用MMS卫星的高分辨率观测数据,研究了地球磁层中离子尺度磁通量绳内部的电磁结构以及相关的等离子体过程,取得了一系列成果。主要内容如下:1.磁通量绳内部的电子分布与哨声波我们报道了在磁层顶重联的南向出流区中连续观测到的六个离子尺度磁通量绳,对它们内部的特征进行了详细分析,包括电流密度、离子和电子的冻结条件、电子投掷角分布、磁场拓扑、波动等,给出了这类磁通量绳的一些共性与差异。在依次观测到的六个磁通量绳中,前两个磁通量绳紧邻离子扩散区,后四个磁通量绳距离离子扩散区较远。我们首次在卫星观测中发现磁通量绳的后边界存在垂直方向加热的电子,它们可能是由局地的磁场堆积引发betatron加速产生的。对波动的分析发现,磁通量绳内存在丰富的哨声波,根据频率可以将它们分为下带哨声波和上带哨声波。对于下带哨声波,分析发现它们沿着磁力线的传播方向不同,因此可能是局地激发的,有垂直加热电子的后边界可能是其一个源区。对于上带哨声波,它们只在磁通量绳的核心区被观测到,而且全都是沿着反平行方向传播,因此,它们来自同一个源区,可能不是局地激发的。此外,我们发现在磁通量绳中,接近电子回旋频率的高频哨声波与某些能段的电子存在强烈的相互作用。根据我们的分析,磁通量绳是磁鞘与磁层物质与波动传输的重要渠道,电子的动力学行为在磁通量绳的演化过程中会被改变。2.磁通量绳内部的次级磁场重联我们首次报道了在磁通量绳的丝状电流中发生次级磁场重联的直接证据。利用MMS卫星数据,我们在磁通量绳的内部发现了清晰的丝状电流结构,分析表明这些丝状电流都位于扰动磁场脉冲中。在扰动磁场脉冲中,电子涡量增强,电子流速反转,说明其中存在电子涡旋。对磁通量绳内的电流密度和能量转化进行统计,发现能量转化主要发生在强电流区域;在磁通量绳内,磁自由能会被转化为等离子体的能量。对每个丝状电流进行检查,发现所有的扰动磁场脉冲中都在发生次级磁场重联。发生次级磁场重联的丝状电流中,离子没有响应,说明这是一类电子重联事例。我们的观测结果表明磁场重联中有相当一部分磁能可以通过磁通量绳内的次级磁场重联耗散掉,这是对电子扩散区耗散磁能的重要补充。3.磁鞘中的磁通量绳与薄电流片我们利用MMS卫星观测数据,在磁鞘发现了三个磁峰结构。通过局地坐标系下的磁场信号、磁场曲率变化以及计算出的环形磁力线位形,我们判断这些磁峰结构是磁通量绳。在每个磁通量绳的后半部分都存在薄电流片,它们的电流强度明显大于磁通量绳中的背景电流值。这说明磁通量绳的电流呈现双层结构,即具有强电流的薄电流片镶嵌在更大尺度的背景磁通量绳电流片中。这种双层电流结构是首次在磁通量绳中被报道,反映了磁鞘磁通量绳的多尺度特征。我们证实在电流密度最大的薄电流片中正在发生磁场重联。通过计算平行电场、费米机制和betatron机制在磁通量绳中对电子的加速率,定量研究了这三种机制对电子加速的贡献。发现电子加速主要发生在两个区域,第一个区域是发生磁场重联的薄电流片中,主要加速机制是平行电场加速;第二个区域是磁通量绳的后边界,主要加速机制是费米加速和betatron加速。我们的研究证明了离子尺度磁通量绳与磁鞘湍动等离子体中的能量耗散和电子加速直接相关,薄电流片可以在磁通量绳中形成,能量耗散主要是通过薄电流片中的磁场重联。4.磁鞘重联电子扩散区中的平行电场我们研究了磁鞘重联电子扩散区中的大振幅单极平行电场结构,定量给出了平行电场对电子的加速效果。四颗MMS卫星穿越了镶嵌在重联电流片中间的高速电子喷流,其观测信号符合电子扩散区的特征。分析发现该电子扩散区从X线延伸至出流区中,重联电流片中的电子压强各向异性说明电子扩散区可能是由火舌不稳定性产生。在电子扩散区中,四颗卫星都观测到大振幅的单极平行电场,说明平行电场可以填充满整个电子扩散区。通过两种不同的方法,我们得出了平行电场产生的电势降是120V。当电子进入电子扩散区后,会被平行电场加速,在出流侧产生高能的电子束流,从而激发电子洞。考虑到这种大振幅单极平行电场在电子扩散区的广泛分布,我们的研究表明磁鞘重联中的电子动力学过程受平行电场主导。5.磁通量绳中的电子涡旋与电子加速我们首次报道了磁通量绳内由电子涡旋导致的电子加速过程,讨论了电子的加速机制以及电子涡旋中的次级磁场重联。电子涡旋是由磁通量绳中心的电子剪切流激发的电子开尔文-亥姆霍兹不稳定性产生。通过对涡旋内部不同区域运动速度的分析,我们发现涡旋并不是处于稳定的状态,而是正在膨胀,估算的由涡旋膨胀产生的感应平行电场大小几乎与卫星测量值相同。同时,我们在涡旋边界发现了异常的磁场双极变化,对应着正在发生磁场重联的薄电流片,该电流片可能是由电子的涡旋运动扭曲磁力线产生的。涡旋的膨胀和磁场重联都会产生强平行电场,直接加速涡旋内的电子,被加速的电子主要集中在0°或180°投掷角上。另一方面,在两个涡旋之间,卫星观测到高达200keV的垂直方向高能电子通量增强。考虑到两个涡旋之间会相互挤压,导致磁场堆积,这些高能电子的加速机制可能与磁场重联堆积区的betatron机制类似。我们的结果为磁场重联中的电子加速研究提供了新的思路,证实了位于磁通量绳中心的涡旋也可以加速电子。以上研究内容从卫星观测角度证实了磁通量绳在磁场重联中所起的重要作用,加深了我们对磁通量绳内部电磁结构与能量转化过程的理解。同时,我们的研究也提出了一些新的问题,它们对未来相关的卫星观测与数值模拟工作具有一定的参考价值。