由于地球弓激波的加熱和壓縮，磁鞘等離子體呈現(xiàn)非常湍動的特征，并存在豐富的電流片、磁洞等相干結(jié)構(gòu)（coherent structure）。這些相干結(jié)構(gòu)在粒子加速、湍流演化以及能量耗散中扮演著非常重要的作用。由于衛(wèi)星觀測以及理論分析的局限性，目前對發(fā)生在這些相干結(jié)構(gòu)中詳細(xì)物理過程的認(rèn)識仍非常欠缺。
磁洞是一種各向異性的非線性準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，通常被認(rèn)為是由等離子體動理學(xué)鏡像模不穩(wěn)定性（mirror-mode instability）產(chǎn)生的，呈現(xiàn)出密度與磁場強(qiáng)度擾動反相關(guān)的特性。磁洞在空間尺度上可跨越數(shù)個(gè)量級，并且由于其磁場強(qiáng)度的不均勻分布，能有效地捕獲帶電粒子，因而有著豐富的粒子動力學(xué)以及波粒相互作用過程，是深入理解空間等離子體結(jié)構(gòu)乃至湍流復(fù)雜演化的良好窗口。
近日，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心空間天氣學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王赤院士團(tuán)隊(duì)的蔣文策博士生和李暉研究員，與英國倫敦大學(xué)學(xué)院Daniel Verscharen教授以及美國亞利桑那大學(xué)Kristopher G. Klein教授展開合作研究，基于MMS衛(wèi)星提供的高時(shí)間分辨率的電子分布函數(shù)觀測數(shù)據(jù)，詳細(xì)分析了地球磁鞘等離子體中的一個(gè)磁洞事例，提出了磁洞內(nèi)離子-電子多尺度相互作用模型。磁洞內(nèi)磁場受鏡像模不穩(wěn)定性的影響隨時(shí)間減弱，導(dǎo)致電子出現(xiàn)顯著的betatron減速。與此同時(shí)，磁洞結(jié)構(gòu)沿著主軸向收縮，導(dǎo)致電子的一階費(fèi)米加速。這兩個(gè)絕熱效應(yīng)在速度空間導(dǎo)致了雙向低能電子束的形成，并伴隨高頻哨聲波的產(chǎn)生。利用準(zhǔn)線性理論以及Arbitrary Linear Plasma Solver數(shù)值工具，構(gòu)建了新穎的非麥克斯韋分布函數(shù)模型，對磁洞內(nèi)的電子與哨聲波的波粒相互作用機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)描述，解釋了此前被廣泛觀測到的磁洞哨聲波的產(chǎn)生機(jī)制。
該研究論述了一系列物理過程的時(shí)間尺度關(guān)系，并提出磁洞內(nèi)的電子動理學(xué)演化與大尺度的磁洞結(jié)構(gòu)演化存在著密切的聯(lián)系，為理解無碰撞等離子體內(nèi)的能量耗散提供新的認(rèn)識。相關(guān)工作發(fā)表在本領(lǐng)域著名的學(xué)術(shù)期刊The Astrophysical Journal上。
文章信息及鏈接：
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
圖例：磁洞內(nèi)多尺度物理過程卡通圖
圖例：MMS觀測到的磁洞內(nèi)部的電子分布函數(shù)在速度空間的精細(xì)結(jié)構(gòu)
