磁重联是空间等离子体中磁能向带电粒子动能高效转化的核心过程，尤其在地球磁层中，表现为显著的离子加速和强烈外流，驱动着一系列重要的空间天气现象。尽管近年来对无碰撞磁重联的能量转换机制已有一定认识，但关于离子在该过程中所呈现的动力学特征，仍缺乏系统且深入的定量研究。
近日，太阳活动和空间天气全国重点实验室王赤院士团队的博士生王开来、戴磊研究员等人，基于NASA“磁层多尺度探测计划”（MMS）在磁尾区域的17次实地观测数据，结合粒子-惯性模拟（PIC），识别并首次论证了一种全新的能量转换信号——离子压力张量非对角分量 Pxy的“双极反转”结构。
该结构以指纹式信号形式呈现，恰好在磁重联X线的两侧表现为符号相反的双极性分布，精确标记出离子加速与能量转换的关键区域。PIC模拟进一步揭示，Pxy的峰值集中于磁场堆积区附近。轨道追踪分析表明，离子在重联磁场Bz周围发生部分回旋，同时受重联电场驱动加速，从而形成不对称速度分布，导致Pxy的双极反转特征。
该成果不仅揭示了离子压力张量的空间梯度结构，也指出其对离子尺度重联电场的非局域性贡献，深化了对无碰撞磁重联中能量转换物理机制的理解。相关研究成果已发表于《Journal of Geophysical Research: Space Physics》期刊。
该工作得到了国家自然科学基金（42425404, 42188101, 42204172, 42174207）、国家重点实验室专项研究基金，以及中国科学院空间科学战略先导专项（二期）XDA15350201、XDA15052500的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1029/2025JA034185
图1 2017年7月3日事件的MMS1观测：(a) 磁场，(b) 离子速度，(c)离子压力张量的非对角分量，(d) 离子差分能通量。17次重联事件的时序叠加分析：(e) Bz，(f) Vx，(g) Pxy；25%、50%和75%的值分别用蓝色、红色和绿色表示。
图2 17个无碰撞重联事件的原位数据统计。(a) 霍尔电场(E+VixB)z，(B) 霍尔磁场By，(c)离子压力张量的非对角分量Pxy，(d) 非对角分量Pyz。圆圈大小表示根据每个事件中最大值进行归一化后的量级，红色表示正值，蓝色表示负值。(e-f) Pxy vs Vx和(Pxy/△P) vs (Vx/Va)，其中△P=ni*mi*Va2/4，(f)的拟合直线斜率为0.98。(g-h) MMS1向尾流出和向地流出Brst数据中离子二维速度空间分布（Vx, Vy）的时序叠加分析，离子能量范围为60eV-30keV，Vz的范围为-1500km/s - 1500km/s。
图3 PIC模拟，t=28。(a) 在XZ平面和z=0上的离子速度Vix，(b) 在XZ平面和z=0上的Pxy，(c) 霍尔磁场By，(d) 霍尔电场(E+VixB)z。(e) 高速离子出流附近的二维速度空间分布（Vx, Vy），方框中心的位置数据在速度分布的上方，白色、绿色的轨迹为两个追溯到t=0的粒子。