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、磁洞等相干結構（coherent structure）。這些相干結構在粒子加速、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)生在這些相干結構中詳細物理過程的認識仍非常欠缺。
磁洞是一種各向異性的非線性準穩(wěn)態(tài)結構，通常被認為是由等離子體動理學鏡像模不穩(wěn)定性（mirror-mode instability）產(chǎn)生的，呈現(xiàn)出密度與磁場強度擾動反相關的特性。磁洞在空間尺度上可跨越數(shù)個量級，并且由于其磁場強度的不均勻分布，能有效地捕獲帶電粒子，因而有著豐富的粒子動力學以及波粒相互作用過程，是深入理解空間等離子體結構乃至湍流復雜演化的良好窗口。
近日，中國科學院國家空間科學中心空間天氣學國家重點實驗室王赤院士團隊的蔣文策博士生和李暉研究員，與英國倫敦大學學院Daniel Verscharen教授以及美國亞利桑那大學Kristopher G. Klein教授展開合作研究，基于MMS衛(wèi)星提供的高時間分辨率的電子分布函數(shù)觀測數(shù)據(jù)，詳細分析了地球磁鞘等離子體中的一個磁洞事例，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)定性的影響隨時間減弱，導致電子出現(xiàn)顯著的betatron減速。與此同時，磁洞結構沿著主軸向收縮，導致電子的一階費米加速。這兩個絕熱效應在速度空間導致了雙向低能電子束的形成，并伴隨高頻哨聲波的產(chǎn)生。利用準線性理論以及Arbitrary Linear Plasma Solver數(shù)值工具，構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制進行了詳細描述，解釋了此前被廣泛觀測到的磁洞哨聲波的產(chǎn)生機制。
該研究論述了一系列物理過程的時間尺度關系，并提出磁洞內(nèi)的電子動理學演化與大尺度的磁洞結構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識。相關工作發(fā)表在本領域著名的學術期刊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)在速度空間的精細結構
