電子的速度分布函數(shù)(electron velocity distribution function)用于刻畫電子在速度空間內(nèi)的分布，是認(rèn)識(shí)電子尺度動(dòng)力學(xué)過(guò)程的關(guān)鍵物理量。一般情形下，電子的速度分布函數(shù)為回旋各向同性；但在電子尺度界面附近，由于電子的有限回轉(zhuǎn)半徑效應(yīng)，分布函數(shù)可呈現(xiàn)回旋各向異性的特征，例如在磁場(chǎng)重聯(lián)的電子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)。對(duì)回旋異性電子分布函數(shù)的深入研究，有助于揭示空間等離子體電子尺度的物理過(guò)程。空間天氣學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王赤研究員團(tuán)隊(duì)的高傳慧博士研究生、唐斌斌、李文亞及國(guó)內(nèi)外合作者對(duì)回旋異性電子電子分布函數(shù)的一般形成機(jī)制進(jìn)行詳細(xì)的研究，發(fā)現(xiàn)局地強(qiáng)電場(chǎng)的加速效應(yīng)可以直接形成回旋異性電子，并對(duì)將來(lái)的空間電子探測(cè)精度提出建議。該研究成果已于近日發(fā)表于地球物理領(lǐng)域國(guó)際知名期刊Geophysical Research Letters。 

　　在電子尺度邊界上，較強(qiáng)的密度梯度可引發(fā)電子的有限回轉(zhuǎn)半徑效應(yīng)，進(jìn)而在密度較低的一側(cè)產(chǎn)生回旋異性電子分布，這一機(jī)制在以往研究中已深入探討。該研究團(tuán)組在磁層多尺度衛(wèi)星任務(wù)(Magnetospheric Multiscale mission, MMS)的觀測(cè)結(jié)果中發(fā)現(xiàn)了一種局地強(qiáng)電場(chǎng)加速電子實(shí)現(xiàn)回旋各向異性分布的新機(jī)制。在觀測(cè)到的事例中，一個(gè)較強(qiáng)的電場(chǎng)（~100 mV/m）給予部分電子充分的加速，使得其遠(yuǎn)離原本的低能核心區(qū)域，從而形成回旋各向異性分布。研究團(tuán)隊(duì)借由測(cè)試粒子（test particle）的方法對(duì)以上兩種機(jī)制進(jìn)行了驗(yàn)證，證實(shí)了電場(chǎng)加速引發(fā)回旋各向異性分布的可行性（圖一）。利用測(cè)試粒子進(jìn)一步研究，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電場(chǎng)太小時(shí)，無(wú)法有效加速電子；而當(dāng)電場(chǎng)空間尺度過(guò)大，電子分布函數(shù)則會(huì)整體漂移。因此，只有當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度足夠且是局地時(shí)，才能夠產(chǎn)生各向異性分布。 

　　此外，在觀測(cè)中還發(fā)現(xiàn)了手指狀分布（“finger”）的存在，該分布是受限于電子載荷探測(cè)精度而產(chǎn)生的“缺陷”觀測(cè)結(jié)果。具體而言，MMS的30毫秒電子分布函數(shù)探測(cè)結(jié)果是由四個(gè)連續(xù)的7.5毫秒探測(cè)單元的數(shù)據(jù)拼接而成，當(dāng)空間中存在快速變化時(shí)，這四個(gè)單元就會(huì)產(chǎn)生彼此之間存在較大的差別的探測(cè)結(jié)果，從而形成手指狀分布。團(tuán)隊(duì)借由測(cè)試粒子重現(xiàn)了手指狀分布，而且發(fā)現(xiàn)如果將探測(cè)的時(shí)間分辨率提高（比如從30毫秒提高到6毫秒），這四個(gè)連續(xù)的探測(cè)單元之間的差別就會(huì)減小，進(jìn)而就會(huì)減弱乃至消除手指狀分布（圖二）。 

　　局地強(qiáng)電場(chǎng)在空間湍動(dòng)環(huán)境中普遍存在，研究團(tuán)隊(duì)提出的局地強(qiáng)電場(chǎng)加速直接形成回旋各向異性電子分布的新機(jī)制表明該類分布可能在更廣泛的空間區(qū)域內(nèi)存在，而高精度的電子測(cè)量將有助于分辨出這些電子分布。同時(shí)，這種電子分布可能是不穩(wěn)定的，它通過(guò)等離子體不穩(wěn)定性釋放自由能的過(guò)程對(duì)未來(lái)理解包括磁場(chǎng)重聯(lián)在內(nèi)的磁層能量耗散具有更深遠(yuǎn)的意義。

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　　圖一：回旋各向異性分布的測(cè)試粒子計(jì)算結(jié)果。a1為設(shè)置的初始條件。三個(gè)紅色圓圈表示a2-a4在a1中的位置。b1-b4，c1-c4，d1-d4和e1-e4與a1-a4相似，但初始條件不同。初始電場(chǎng)、電子密度、磁場(chǎng)和電勢(shì)在a1-e1中分別用藍(lán)色、紅色、綠色和黑色表示。 

　　圖二：對(duì)手指狀分布的觀測(cè)和測(cè)試粒子計(jì)算結(jié)果，其中a1是由a2-a5四個(gè)連續(xù)的7.5毫秒探測(cè)單元的數(shù)據(jù)拼接而成，而b2-b4是在三種不同采樣率下的測(cè)試粒子計(jì)算結(jié)果