磁洞是一種空間等離子體中廣泛存在的等離子體結(jié)構(gòu)，這種各向異性的非線性準穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)通常被認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)出密度與磁場強度擾動反相關(guān)的特性。磁洞在空間尺度上可跨越多個數(shù)量級，最大可至數(shù)十個離子回旋半徑，最小可達數(shù)個電子回旋半徑。由于磁場強度的空間分布不均勻性，磁洞結(jié)構(gòu)能有效地捕獲帶電粒子，進而產(chǎn)生了豐富的粒子動力學(xué)演化和波動現(xiàn)象，如哨聲波和靜電波等。然而，其中復(fù)雜的波粒相互作用過程仍存在許多問題，如高頻哨聲波的局地激發(fā)和非線性演化等。前人的相關(guān)研究主要聚焦于磁洞內(nèi)部波動的識別與基本物理參數(shù)的統(tǒng)計，卻很少深入探討其中波動如何激發(fā)以及能量如何傳輸與演化的問題。作為一種普遍存在的等離子體結(jié)構(gòu)，磁洞內(nèi)部的波粒相互作用過程和電子分布函數(shù)時間演化是理解空間等離子體湍流能量耗散過程的良好窗口。

　　近日，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心空間天氣學(xué)國家重點實驗室王赤院士團隊的蔣文策博士后和李暉研究員，與英國倫敦大學(xué)學(xué)院Daniel Verscharen教授、Christopher Owen教授以及美國亞利桑那大學(xué)Kristopher G. Klein教授展開了系列合作研究。相關(guān)研究成果在本領(lǐng)域國際學(xué)術(shù)期刊The Astrophysical Journal上發(fā)表。

　　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)，研究團隊詳細分析了一例地球磁鞘中的磁洞哨聲波激發(fā)事例，利用理論模型首次揭示了電子-哨聲波相互作用過程中能量傳輸?shù)南嗫臻g特征。結(jié)合研究團隊開發(fā)的二維準線性波粒相互作用理論模型與高分辨率的MMS衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，研究結(jié)果表明該磁洞結(jié)構(gòu)沿著主軸向收縮運動導(dǎo)致產(chǎn)生的電子雙向束流主要通過回旋共振完成了電子動能向哨聲波電磁場能量的轉(zhuǎn)換。定量的研究結(jié)果還揭示了部分相空間內(nèi)的電子還可以通過朗道共振對哨聲波激發(fā)有著少量貢獻。該研究詳細闡述了相空間內(nèi)不同區(qū)域內(nèi)電子能量變化與哨聲波的激發(fā)/阻尼物理過程的關(guān)系，并為未來利用更高分辨率的分布函數(shù)衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)對波粒相互作用過程能量轉(zhuǎn)換的直接實驗測量提供了指導(dǎo)。

　　文章鏈接：Jiang, W. et al. Velocity-space Signatures of Resonant Energy Transfer between Whistler Waves and Electrons in the Earth’s Magnetosheath. ApJ 960, 30 (2024). (https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ad0df8)

圖一  以MMS觀測的哨聲波參數(shù)為輸入，電子分布函數(shù)的準線性擴散路徑。（a）三種波粒共振機制作用的范圍。（b）三種共振機制下的電子擴散路徑，背景顏色表示的是電子分布函數(shù)

圖二 電子分布函數(shù)在哨聲波的共振相互作用下的時間演化。（a）電子-哨聲波共振相互作用下的相空間能量轉(zhuǎn)換特征。（b）共振能量轉(zhuǎn)換率隨電子垂直于背景磁場方向速度的分布。（c）共振能量轉(zhuǎn)換率隨電子平行于背景磁場方向速度的分布。（d）電子動能隨時間的演化（詳細細節(jié)見文章 ）

圖三 （a）電子溫度各向異性和平行beta值隨時間的演化。（b）200eV和300eV電子的投擲角分布隨時間的演化，實線表示的是初態(tài)，虛線表示的是t| _e|=30的末態(tài)

  （供稿：天氣室）