准垂直低β激波二维粒子模拟中的电子加热

我们在质量比$m_i/m_e=200$、快马赫数$\mathcal{M}_{ms}=1$-$4$、上游磁场与激波法线$\hat{\boldsymbol{n}}$夹角$\theta_{Bn} = 55$-$85^\circ$的准垂直低β($\beta_p=0.25$)无碰撞离子-电子激波的1D与2D粒子模拟(PIC)中测量了热电子能量增益。已知激波电子加热由双向平行的电场势跃变$\Delta\phi_\parallel$描述，其大致随电子温度跃变线性缩放。我们的模拟中$\Delta\phi_\parallel/(0.5 m_i {u_\mathrm{sh}}^2) \sim 0.1$-$0.2$（以激波前离子整体动能为单位），与先前测量和模拟一致。测量$\phi_\parallel$的不同方法（包括使用de Hoffmann-Teller系场）精度在数十百分比内相符。忽略非对角电子压强张量项会导致我们对低$\beta_p$激波中$\phi_\parallel$的系统性低估。我们进一步聚焦两个$\theta_{Bn}=65^\circ$激波：一个$\mathcal{M}_s=4$（$\mathcal{M}_A=1.8$）情形，沿$\hat{\boldsymbol{n}}$有长$30 d_i$的 whistler 波前驱；另一个$\mathcal{M}_s=7$（$\mathcal{M}_A=3.2$）情形，有较短$5d_i$、相对于$\hat{\boldsymbol{n}}$和$\boldsymbol{B}$均倾斜的 whistler 波前驱；$d_i$为离子惯性长度。在前驱内，$\phi_\parallel$沿多个 whistler 波长向激波方向持续上升，并在磁谷内出现局域尖峰。在$\mathcal{M}_s=4$、$\theta_{Bn}=65^\circ$情形的1D模拟中，$\phi_\parallel$对电子等离子体-回旋频率比$\omega_{pe}/\Omega_{ce}$依赖较弱，且当$m_i/m_e$提升至真实质子-电子值1836时$\phi_\parallel$减小为原来的1/2。