地球磁場保護(hù)著地球免受來自太陽及宇宙深處的高能射線的侵害。太陽風(fēng)與地球磁場作用，會(huì)造成地磁場由于壓縮拉伸甚至交叉而發(fā)生重聯(lián)過程，導(dǎo)致磁場拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變并以高能粒子與射線的形式釋放出巨大能量。對(duì)磁場重聯(lián)物理過程的研究對(duì)人類的活動(dòng)具有重要意義。磁場的重聯(lián)過程被認(rèn)為是太陽冕區(qū)物質(zhì)拋射及耀斑等活動(dòng)的成因；磁場重聯(lián)過程密切影響著空間氣候；即便是來自河外的高能宇宙射線，也有理論認(rèn)為與磁重聯(lián)過程密切相關(guān)。地球磁場因而成為科學(xué)家首選的研究磁重聯(lián)物理過程的自然實(shí)驗(yàn)室。

然而，與地球上實(shí)驗(yàn)室研究不同的是，通過人造衛(wèi)星對(duì)地磁重聯(lián)現(xiàn)象的研究具有極大的偶然性，要求在地磁重聯(lián)發(fā)生的短暫時(shí)間內(nèi)，衛(wèi)星恰好在現(xiàn)場。因此，通過衛(wèi)星觀察到的不同時(shí)間地點(diǎn)的地磁重聯(lián)現(xiàn)象會(huì)不一致。比如，在2003年1月14日，歐洲太空總署的Cluster－1衛(wèi)星在地磁場的一個(gè)重聯(lián)區(qū)中心位置，測量到一個(gè)細(xì)長的電子擴(kuò)散區(qū)（EDR-electron diffusion region）；但這一記錄與2005年1月25日發(fā)現(xiàn)的19個(gè)EDRs全部分布在磁重聯(lián)區(qū)兩側(cè)的觀測存在極大差異。

最近，中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室（籌）光物理實(shí)驗(yàn)室李玉同、上海交通大學(xué)張杰和中科院國家天文臺(tái)趙剛研究團(tuán)隊(duì)在上海高功率激光聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室神光II實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，利用激光等離子體實(shí)驗(yàn)構(gòu)造了相似的磁重聯(lián)結(jié)構(gòu)，來研究重聯(lián)過程中EDRs的特征。實(shí)驗(yàn)同時(shí)發(fā)現(xiàn)了磁重聯(lián)區(qū)中心與兩側(cè)邊緣一共三個(gè)EDRs，其中中心EDR的出現(xiàn)時(shí)間要略晚于兩側(cè)EDRs，但其速度明顯要高得多。這一發(fā)現(xiàn)揭示了磁重聯(lián)過程新的特征，為地磁重聯(lián)觀測的解讀提供了新的思路。

也是在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)還捕捉到了激光等離子體重聯(lián)區(qū)產(chǎn)生的一個(gè)運(yùn)動(dòng)的“磁島”，以及其運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的二階電流層及明亮的尖狀結(jié)構(gòu)。這個(gè)發(fā)現(xiàn)對(duì)人們理解太陽冕區(qū)物質(zhì)拋射以及耀斑過程有重要意義。這項(xiàng)研究進(jìn)一步表明，有別于天文物理研究中被動(dòng)性較強(qiáng)的觀測，實(shí)驗(yàn)室天體物理實(shí)驗(yàn)使得人們可以在條件參數(shù)可控的情形下，重復(fù)地、全過程地研究一些與天體相關(guān)的物理現(xiàn)象。

上述研究結(jié)果發(fā)表在近期的《物理評(píng)論快報(bào)》[Phys. Rev. Lett. 108, 215001 (2012)]上。該工作得到了國家基金委、科技部和中國科學(xué)院的資助。

利用干涉方法得到測得的磁重聯(lián)結(jié)構(gòu)。圖a和b對(duì)應(yīng)兩個(gè)不同時(shí)刻。電子耗散區(qū)在X1和X2之間。圖c為等離子體自發(fā)光圖像。圖d為粒子模擬結(jié)果。圖e為與c對(duì)應(yīng)的示意圖。