磁化的湍流等離子體中的相干結(jié)構(gòu)在質(zhì)量傳遞、能量耗散和粒子加熱中發(fā)揮著重要作用。電子尺度相干結(jié)構(gòu)是一種極小的間歇結(jié)構(gòu)，其中級(jí)聯(lián)到電子尺度的湍流能量被耗散，從而為電子提供能量。天體物理學(xué)和空間物理學(xué)中一個(gè)長(zhǎng)期未解決的問(wèn)題是能量如何在電子尺度上耗散的。
為了回答這些問(wèn)題，北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院宗秋剛教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)最近以“Electron scale coherent structure as micro accelerator in the Earth's magnetosheath”為題在學(xué)術(shù)期刊Nature Communications（《自然·通訊》）發(fā)文，發(fā)現(xiàn)了空間等離子體中存在一種新型電子尺度相干結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中的平行電場(chǎng)和磁場(chǎng)可以將電子從各向同性轉(zhuǎn)變?yōu)榉@和流（Strahl）分布。這一新發(fā)現(xiàn)的機(jī)制有助于解釋空間和天體系統(tǒng)中電子尺度的能量耗散以及等離子體的加熱加速問(wèn)題。
等離子體湍流是人類(lèi)尚未完全理解的基本物理現(xiàn)象之一，可能存在于如早期宇宙、蟹狀脈沖星、星際介質(zhì)、行星磁層等整個(gè)宇宙范圍內(nèi)。在等離子體湍流中，從大尺度到小尺度的能量轉(zhuǎn)移以及場(chǎng)和粒子之間的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程非常復(fù)雜。人們認(rèn)為等離子體湍流可能在例如日冕加熱和宇宙射加速等粒子能量化過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。湍流研究的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是多尺度耦合。盡管磁流體動(dòng)力學(xué)（MHD）理論可以很好地描述大尺度物理過(guò)程，但目前人們?nèi)圆磺宄入x子體動(dòng)力學(xué)尺度和電子尺度中能量的耦合方式。
能量傳遞分布不均勻的湍流中可以自洽地形成各種相干結(jié)構(gòu)，例如渦流和電流片等。為了尋找空間等離子體、實(shí)驗(yàn)室等離子體和數(shù)值等離子體中的相干結(jié)構(gòu)，人們付出了巨大的努力。人們認(rèn)為這些結(jié)構(gòu)與湍流能量級(jí)聯(lián)和耗散機(jī)制有直接聯(lián)系，并且尺度可能從大尺度到動(dòng)力學(xué)尺度不等。
最近發(fā)射的磁層多尺度（MMS）任務(wù)將太空探索推進(jìn)到了電子動(dòng)力學(xué)尺度。通過(guò) MMS 測(cè)量的磁鞘中的湍流可以定量分解為從離子尺度到亞電子尺度的各種波模：動(dòng)理學(xué)阿爾芬波、哨聲波和離子聲波。最近的進(jìn)展表明，耗散也可能是通過(guò)波粒相互作用發(fā)生的。在空間等離子體環(huán)境中已經(jīng)識(shí)別并報(bào)道了一系列電子尺度相干結(jié)構(gòu)，如電子尺度磁洞、電子尺度電流片等。目前認(rèn)為湍流能量最終可能會(huì)在電子尺度上消散，所以對(duì)這些結(jié)構(gòu)的研究具有重要的意義。然而，在磁化等離子體中，湍流能量可以級(jí)聯(lián)到的最小尺度仍然是一個(gè)基本問(wèn)題。
在研究中，宗秋剛團(tuán)隊(duì)通過(guò)詳細(xì)分析美國(guó)NASA的MMS獲得的數(shù)據(jù)，報(bào)告了一種新型電子尺度相干結(jié)構(gòu)，觀(guān)測(cè)結(jié)果如圖1和圖2所示，磁場(chǎng)強(qiáng)度峰值區(qū)域出現(xiàn)扭曲的磁場(chǎng)線(xiàn)和俘獲電子，并伴有非零的平行電場(chǎng)分量。結(jié)構(gòu)的尺度大小可以通過(guò)使用“電子回旋遙測(cè)”方法來(lái)估計(jì)。該方法使用了“電子回旋各向異性”作為度量太空等離子體結(jié)構(gòu)邊界的方法，把電子回旋半徑當(dāng)成一把測(cè)量結(jié)構(gòu)的“尺子”。結(jié)果表明，邊界到航天器的平均距離約為2.2個(gè)電子回旋半徑。團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)考慮場(chǎng)向電勢(shì)降和磁鏡力的電子捕獲模型，并發(fā)現(xiàn)電子捕獲和加速可以很好地歸因于沿場(chǎng)向的電勢(shì)變化。在該模型中，電子在結(jié)構(gòu)的中心被雙極平行電場(chǎng)俘獲并在磁場(chǎng)極大區(qū)加速。在結(jié)構(gòu)的末端，由于向外平行的電場(chǎng)力和向外磁鏡力的共同作用，形成了雙向電子噴流（圖3）。
圖1 2015年9月21日Magnetospheric Multiscale衛(wèi)星對(duì)相干結(jié)構(gòu)的電磁場(chǎng)、等離子體環(huán)境和多個(gè)能量通道上的電子投擲角分布的觀(guān)測(cè)結(jié)果
圖2 不同時(shí)刻速度空間中的電子能量通量，以及考慮場(chǎng)向電勢(shì)的捕獲線(xiàn)
圖3 沙漏狀電子尺度相干結(jié)構(gòu)示意圖。結(jié)構(gòu)中存在捕獲電子和非零平行電場(chǎng)
研究發(fā)現(xiàn)的空間等離子體結(jié)構(gòu)中存在電子的加熱和加速等現(xiàn)象。這些發(fā)現(xiàn)為進(jìn)一步理解湍流能量耗散以及空間等離子體相干結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生提供了新的思路。
北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院空間物理與應(yīng)用技術(shù)研究所博士研究生解子康為本論文的第一作者，宗秋剛為文章的通訊作者，其他合作者包括北京大學(xué)空間所周煦之研究員、劉志揚(yáng)博士、樂(lè)超研究員、何健森教授、郝以鑫博士，山東大學(xué)張慧教授等。相關(guān)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，澳門(mén)科學(xué)技術(shù)發(fā)展基金等項(xiàng)目的支持。
參考文獻(xiàn)：
Z.-K. Xie, Q.-G. Zong, C. Yue, X.-Z. Zhou, Z.-Y. Liu, J.-S. He, Y.-X. Hao, C.-S. Ng, H. Zhang et al.Electron scale coherent structure as micro accelerator in the Earth’s magnetosheath. Nat Commun. 15, 886 (2024).
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