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磁层顶回旋各向异性电子分布函数研究取得进展

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  在国家自然科学基金项目(批准号:41421003,41627805,41628402和41774153)资助下,北京大学地球与空间科学学院宗秋刚教授研究团队在日地空间小尺度结构的研究工作中取得重要进展,揭示了空间等离子体中电子尺度磁洞的几何形态与产生机制,提供了一种新的日地空间中粒子的加速机制和等离子体湍动中能量输运与耗散的机制研究方法。研究成果以“MMS
observations of electron scale magnetic cavity embedded in proton scale
magnetic
cavity”(MMS卫星观测到的嵌入质子磁洞的电子磁洞)为题,于2019年3月4日在新萄京娱乐网址,Nature
Communications
(《自然·通讯》)上在线发表,论文链接:.

近日,中国科学院国家空间科学中心空间天气学国家重点实验室副研究员唐斌斌、李文亚、研究员王赤等同瑞典空间科学研究所、美国Goddard飞行中心和其它机构的科研人员一起利用MMS卫星数据报道了一个磁层顶非重连电流片中的回旋各向异性电子分布函数的观测事件。目前文章已经在线发表在Geophysical
Research Letters 杂志上。

  电子尺度磁洞是日地空间复杂的太阳风、磁层相互作用环境中存在的一类极小尺度的电子涡旋结构,它的形成与等离子体湍动中的能量耗散、带电粒子加速等有密切关联。然而,由于其全貌难以通过卫星实地观测而得到,人们一直未能直接测量这种结构的几何形态和空间分布。

在之前的研究中,回旋各向异性电子分布通常发现在磁场重联的电子扩散区或其附近区域,是反映电子尺度动力学过程的一个重要方面。而在2017年9月20日MMS的一次磁层顶穿越中,研究团队发现了在磁层顶非重联电流片中同样也会存在回旋各向异性电子分布。这些回旋各向异性电子分布函数形成在一个磁场强度极小值区域的两侧边界上,由于磁场边界的厚度与电子的特征回旋半径相当,于是当位于磁场极小值区域的电子经过曲率散射后,其电子的回旋效应得以显现。利用MMS电子7.5毫秒的高精度数据,研究人员还对回旋各向异性电子分布函数在垂直于磁场平面内的张角大小进行了分析,其变化趋势也与电子的有限回旋半径效应相符合。

  宗秋刚教授研究团队另辟蹊径,创新地使用了“电子回旋各向异性”作为度量太空等离子体磁洞边界的方法(图1),利用NASA的“磁层多尺度任务”
(Magnetospheric Multiscale, MMS)
卫星提供的高精度数据,将电子密度分布变为一种“探测器”,通过持续的遥测首次直接获得了结构的边界形状和分布(图2)。研究结果显示,电子尺度磁洞在垂直磁场方向的截面为圆形,圆中心可以被认为是电子尺度磁洞的中心,且磁场与等离子体的分布具有很好的旋转对称性。据此,研究团队认为电子尺度磁洞是一种相对稳定的抗磁结构且该结构嵌入在质子尺度磁洞中,意味着不同尺度间可能的耦合。此外,“电子回旋遥测”方法作为一种创新的方法,有望在更多研究领域得到应用。

此外,MMS
4颗卫星都发现与回旋各向异性电子分布函数同时存在的还有高混杂波。研究人员用线性理论也证明了这些不稳定的电子分布函数有足够的自由能来激发这些波动,而高混杂波也能有效捕获电子发生波粒相互作用。该研究不仅表明回旋各向异性电子分布函数能更广泛地存在于磁层顶,还能在电子尺度上对电子的耗散和加热等产生作用。

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论文信息:Tang, B. ‐B., Li, W. Y., Graham, D. B., Rager, A. C., Wang,
C., Khotyaintsev, Y. V., et al . Crescent‐shaped electron distributions
at the non‐reconnecting magnetopause: Magnetospheric Multiscale
observations. Geophysical Research Letters, 46.

图1  用“电子回旋遥测”方法解析磁洞结构的原理示意图

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图1:磁层顶非重联电流片中的回旋各向异性的电子分布的观测。

图2 “探测器”获得的电子尺度磁腔的几何形状。

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数据来自于MMS四颗卫星探测,每颗卫星有八个能量通道(通过不同的符号和颜色进行区分)

图2:伴随回旋各向异性电子分布的高混杂波和其特性分析。

文章信息:

Liu, H., Zong, Q.-G., Zhang, H., Xiao, C. J., Shi, Q.Q., Yao, S. T., He,
J. S., Zhou, X.-Z., Pollock, C., Sun, W. J., Le, G., Burch, J. L. and
Rankin, R. MMS observations of electron scale magnetic cavity embedded
in proton scale magnetic cavity. Nat. Commun.10, 1040 (2019)

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