磁化的湍流等離子體中的相干結構在質量傳遞、能量耗散和粒子加熱中發揮著重要作用。電子尺度相干結構是一種極小的間歇結構，其中級聯到電子尺度的湍流能量被耗散，從而為電子提供能量。天體物理學和空間物理學中一個長期未解決的問題是能量如何在電子尺度上耗散的。
為了回答這些問題，北京大學地球與空間科學學院宗秋剛教授帶領的研究團隊最近以“Electron scale coherent structure as micro accelerator in the Earth's magnetosheath”為題在學術期刊Nature Communications（《自然·通訊》）發文，發現了空間等離子體中存在一種新型電子尺度相干結構，該結構中的平行電場和磁場可以將電子從各向同性轉變為俘獲和流（Strahl）分布。這一新發現的機制有助于解釋空間和天體系統中電子尺度的能量耗散以及等離子體的加熱加速問題。
等離子體湍流是人類尚未完全理解的基本物理現象之一，可能存在于如早期宇宙、蟹狀脈沖星、星際介質、行星磁層等整個宇宙范圍內。在等離子體湍流中，從大尺度到小尺度的能量轉移以及場和粒子之間的能量轉換過程非常復雜。人們認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程中發揮關鍵作用。湍流研究的一個主要挑戰是多尺度耦合。盡管磁流體動力學（MHD）理論可以很好地描述大尺度物理過程，但目前人們仍不清楚等離子體動力學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構，例如渦流和電流片等。為了尋找空間等離子體、實驗室等離子體和數值等離子體中的相干結構，人們付出了巨大的努力。人們認為這些結構與湍流能量級聯和耗散機制有直接聯系，并且尺度可能從大尺度到動力學尺度不等。
最近發射的磁層多尺度（MMS）任務將太空探索推進到了電子動力學尺度。通過 MMS 測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：動理學阿爾芬波、哨聲波和離子聲波。最近的進展表明，耗散也可能是通過波粒相互作用發生的。在空間等離子體環境中已經識別并報道了一系列電子尺度相干結構，如電子尺度磁洞、電子尺度電流片等。目前認為湍流能量最終可能會在電子尺度上消散，所以對這些結構的研究具有重要的意義。然而，在磁化等離子體中，湍流能量可以級聯到的最小尺度仍然是一個基本問題。
在研究中，宗秋剛團隊通過詳細分析美國NASA的MMS獲得的數據，報告了一種新型電子尺度相干結構，觀測結果如圖1和圖2所示，磁場強度峰值區域出現扭曲的磁場線和俘獲電子，并伴有非零的平行電場分量。結構的尺度大小可以通過使用“電子回旋遙測”方法來估計。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構邊界的方法，把電子回旋半徑當成一把測量結構的“尺子”。結果表明，邊界到航天器的平均距離約為2.2個電子回旋半徑。團隊開發了一個考慮場向電勢降和磁鏡力的電子捕獲模型，并發現電子捕獲和加速可以很好地歸因于沿場向的電勢變化。在該模型中，電子在結構的中心被雙極平行電場俘獲并在磁場極大區加速。在結構的末端，由于向外平行的電場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衛星對相干結構的電磁場、等離子體環境和多個能量通道上的電子投擲角分布的觀測結果
圖2 不同時刻速度空間中的電子能量通量，以及考慮場向電勢的捕獲線
圖3 沙漏狀電子尺度相干結構示意圖。結構中存在捕獲電子和非零平行電場
研究發現的空間等離子體結構中存在電子的加熱和加速等現象。這些發現為進一步理解湍流能量耗散以及空間等離子體相干結構的產生提供了新的思路。
北京大學地球與空間科學學院空間物理與應用技術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空間所周煦之研究員、劉志揚博士、樂超研究員、何健森教授、郝以鑫博士，山東大學張慧教授等。相關工作得到了國家自然科學基金、科技部重點研發計劃，澳門科學技術發展基金等項目的支持。
參考文獻：
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).
本文鏈接：北京大學團隊發現微觀粒子加速器結構http://m.sq15.cn/show-11-2988-0.html
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