...磁洞的觀測與重構的研究成果發表於國際學術期刊《自然-通訊》

2020/11/12 信息來源： 地球與空間科學學院

編輯：悠然 | 責編：白楊

北京大學地球與空間科學學院周煦之、宗秋剛教授和博士研究生李京寰、楊帆等人組成的研究團隊通過構建自洽的等離子體平衡態模型，對太空中觀測到的嵌套型磁洞進行了動理學重構。該模型與觀測結果高度一致，證實了磁洞作為穩定的抗磁結構，其磁場強度的下降源自於其束縛的等離子體。這一工作為理解太空中磁洞的形成及其在空間等離子體湍流過程中的作用提供了新的啟示。相關成果以「Self-consistent kinetic model of nested electron- and ion-scale magnetic cavities in space plasmas（空間等離子體中嵌套電子-離子尺度磁洞的自洽動理學模型）」為題，發表於國際學術期刊Nature Communications（《自然-通訊》）。

圖一：衛星觀測（左）與平衡態磁洞模型（右）的對比

在宇宙空間中，絕大部分物質呈現等離子體態，即由等量的自由電子與帶電正離子所組成的物質狀態。它有別於固體、液體和氣體，常被稱為物質的第四種狀態。在等離子體中，帶電粒子之間的相互作用主要通過長程的庫侖力進行，因此其行為與依靠碰撞等短程作用的氣體分子行為不同，呈現出強烈的集體效應。同時，由於帶電粒子的運動可形成電流並產生磁場，或通過電荷的局地集中產生電場，因此等離子體與電磁場環境之間存在著緊密的耦合關係。儘管等離子體的行為仍可在流體力學框架下被近似描述，但電磁場的出現極大豐富了等離子體中各種波動和湍流的性質。

近年的衛星觀測顯示，空間等離子體中存在著大量尺度不一（電子迴旋半徑或離子迴旋半徑尺度）的弱磁場區域，即所謂的磁洞結構。在磁洞中，磁場的下降一般是準對稱的，它們被認為源於電子或離子渦旋所攜帶的環狀電流，而這些渦旋的形成則與等離子體湍流過程密切相關。然而，由於衛星局地觀測的限制，人們難以對這種結構的全貌進行分析，也因而一直沒能在等離子體理論框架下建立起一套可與觀測進行對比的自洽模型。研究團隊從弗拉索夫-麥克斯韋方程組出發，並考慮了電子的絕熱運動和等離子體的準中性條件，求解出磁洞的動理學平衡態模型。該模型與實驗室等離子體中常見的角向箍縮結構具有相似的位形。模型自洽地給出了電磁場和等離子體的空間分布以及帶電粒子的速度分布，且它們均與美國宇航局MMS衛星的觀測極為接近（見圖一）。圖二則給出了這個嵌套型磁洞在質子迴旋和電子迴旋兩個尺度下的磁場分布截面。

圖二：磁洞在質子迴旋（左）與電子迴旋尺度（右）上的磁場分布

該論文兩名共同第一作者為李京寰、楊帆，通訊作者為周煦之、宗秋剛。該文章的共同作者還包括地空學院何建森、濮祖蔭教授，物理學院肖池階教授，以及山東大學、中國國家空間科學中心、美國加州大學洛杉磯分校、加拿大阿爾伯塔大學等國內外多個機構的研究人員。該項工作獲得了國家自然科學基金委的資助。

文章信息：

Li, J.-H., Yang, F., Zhou, X.-Z., Zong, Q.-G., Artemyev, A. V., Rankin, R., Shi, Q., Yao, S., Liu, H., He, J., Pu, Z., Xiao, C., Liu, J., Pollock, C., Le, G., and Burch, J. L., Self-consistent Kinetic model of nested electron- and ion-scale magnetic cavities in space plasmas, Nature Communications, doi:10.1038/s41467-020-19442-0, 2020.