高速等離子體流作為能量和物質(zhì)傳輸?shù)闹饕緩?，廣泛存在于地球磁層、太陽風(fēng)和行星等離子體環(huán)境中。地球磁尾作為太陽風(fēng)-磁層耦合的關(guān)鍵區(qū)域，其儲存的物質(zhì)和能量向近地空間輸運是引發(fā)空間天氣爆發(fā)性過程的主要原因。在這個過程中，磁場重聯(lián)加速產(chǎn)生的高速離子流是磁尾等離子體和磁能輸運的主要媒介，過往的衛(wèi)星觀測和數(shù)值模擬已對高速離子流的產(chǎn)生、演化和作用開展了大量研究，形成了較為全面的認(rèn)識。然而，對于等離子體中另一個主要粒子——電子，其在磁尾中的整體性加速過程、分布特征及作用尚不清楚。

2015年3月，美國NASA發(fā)射了磁層多尺度任務(wù)衛(wèi)星（Magnetospheric Multiscale, MMS，如圖1左圖所示）任務(wù)，該任務(wù)由四顆完全相同的衛(wèi)星組成，以正四面體位形飛行，并攜帶了多臺高精度探測載荷，能夠提供極高精度（30毫秒）的電子三維相空間觀測數(shù)據(jù)，首次實現(xiàn)了空間中電子尺度物理過程的精細(xì)探測。MMS從2015年9月正式運行至今，已經(jīng)在軌穩(wěn)定探測近十年，采集了海量的高質(zhì)量觀測數(shù)據(jù)，為研究磁尾高速電子流的統(tǒng)計特征提供了難得的機會。

圖1.MMS衛(wèi)星概念圖（左圖）和高速電子流晨昏不對稱性特征（右圖）。

基于MMS的磁尾探測數(shù)據(jù)，空間中心太陽活動與空間天氣全國重點實驗室的研究團隊，聯(lián)合瑞典空間物理研究所、南方科技大學(xué)等國內(nèi)外多個研究機構(gòu)的學(xué)者，對地球磁尾的高速電子流開展了系統(tǒng)性的搜尋，詳細(xì)分析了其參數(shù)統(tǒng)計特征、磁尾空間分布規(guī)律、晨昏不對稱性和與重聯(lián)的關(guān)聯(lián)性。研究人員發(fā)現(xiàn)磁尾高速電子流空間分布呈現(xiàn)出顯著的晨昏不對稱性特征，其中約70%的事例分布在地球昏側(cè)（如圖1右圖所示），這一特征與磁尾重聯(lián)相關(guān)的結(jié)構(gòu)和物理過程的空間分布特征一致，說明磁尾高速電子流與磁場重聯(lián)密切相關(guān)。高速電子流可以廣泛地在磁尾的三個典型區(qū)域——等離子體片、等離子體片邊界層和尾瓣區(qū)中觀測到，然而不同區(qū)域中高速電子流相對當(dāng)?shù)卮艌龅倪\動特征呈現(xiàn)顯著差異（如圖2左圖所示）。在等離子體片內(nèi)，高速電子流可沿著與當(dāng)?shù)卮艌鋈我夥较蜻\動，而在等離子體片邊界層和尾瓣區(qū)中，高速電子流主要沿著當(dāng)?shù)卮艌鲞\動。這與重聯(lián)電流片和分離線中電子主要過程相對應(yīng)，表明重聯(lián)過程是高速電子流形成的主要機制（如圖2右圖所示）。

圖2.左圖為高速電子流在磁尾等離子體片、等離子體片邊界層和尾瓣區(qū)的運動特征。右圖為磁尾等離子體片（紅色）、等離子體片邊界層（黑色）和尾瓣區(qū)（綠色）中觀測到的典型高速電子流事例與重聯(lián)過程的對應(yīng)關(guān)系。

該研究首次獲得了地球磁尾高速電子流的統(tǒng)計特征，揭示了其與重聯(lián)的密切聯(lián)系，加深了對無碰撞等離子體環(huán)境中電子動理學(xué)過程的認(rèn)識。該研究成果以‘High-speed electron flows in the Earth magnetotail’為題發(fā)表于美國地球物理學(xué)會AGU期刊AGU Advances，論文第一作者為實驗室劉會杰博士研究生，通訊作者為李文亞研究員和唐斌斌研究員。同時，該工作被期刊編輯選為亮點研究在AGU新聞期刊Eos予以報道。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學(xué)基金項目、中國科學(xué)院、國家航天局、挪威研究委員會和瑞典國家航空局等的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1029/2024AV001549

AGU-Eos報道鏈接：https://eos.org/editor-highlights/fast-flows-in-earths-magnetotail-surveyed-by-nasa-satellites

（供稿：天氣室）