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实验室科研人员揭示哨声波与磁洞结构之间的多尺度相互作用机制

2022年08月29日 星期一 15:36:58

由于地球弓激波的加热和压缩,磁鞘等离子体呈现非常湍动的特征,并存在丰富的电流片、磁洞等相干结构(coherent structure)。这些相干结构在粒子加速、湍流演化以及能量耗散中扮演着非常重要的作用。由于卫星观测以及理论分析的局限性,目前对发生在这些相干结构中详细物理过程的认识仍非常欠缺。

磁洞是一种各向异性的非线性准稳态结构,通常被认为是由等离子体动理学镜像模不稳定性(mirror-mode instability)产生的,呈现出密度与磁场强度扰动反相关的特性。磁洞在空间尺度上可跨越数个量级,并且由于其磁场强度的不均匀分布,能有效地捕获带电粒子,因而有着丰富的粒子动力学以及波粒相互作用过程,是深入理解空间等离子体结构乃至湍流复杂演化的良好窗口。

近日,空间天气学国家重点实验室王赤院士团队的蒋文策博士生和李晖研究员,与英国伦敦大学学院Daniel Verscharen教授以及美国亚利桑那大学Kristopher G. Klein教授展开合作研究,基于MMS卫星提供的高时间分辨率的电子分布函数观测数据,详细分析了地球磁鞘等离子体中的一个磁洞事例,提出了磁洞内离子-电子多尺度相互作用模型。磁洞内磁场受镜像模不稳定性的影响随时间减弱,导致电子出现显著的betatron减速。与此同时,磁洞结构沿着主轴向收缩,导致电子的一阶费米加速。这两个绝热效应在速度空间导致了双向低能电子束的形成,并伴随高频哨声波的产生。利用准线性理论以及Arbitrary Linear Plasma Solver数值工具,构建了新颖的非麦克斯韦分布函数模型,对磁洞内的电子与哨声波的波粒相互作用机制进行了详细描述,解释了此前被广泛观测到的磁洞哨声波的产生机制。

该研究论述了一系列物理过程的时间尺度关系,并提出磁洞内的电子动理学演化与大尺度的磁洞结构演化存在着密切的联系,为理解无碰撞等离子体内的能量耗散提供新的认识。相关工作发表在本领域著名的学术期刊《The Astrophysical Journal》上。

文章信息及链接:

Jiang, W.*, Verscharen, D., Li, H.*, Wang, C., & Klein, K. G. (2022). Whistler Waves as a Signature of Converging Magnetic Holes in Space Plasmas. The Astrophysical Journal, 935(2), 169.

https://doi.org/10.3847/1538-4357/ac7ce2



图例:磁洞内多尺度物理过程卡通图

图例:MMS观测到的磁洞内部的电子分布函数在速度空间的精细结构。

 

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