我国学者与海外合作者在空间等离子体跨尺度波-粒能量传输的观测方面取得进展

图 空间等离子体中的跨尺度波-粒能量传输示意图

　　在尊龙凯时项目（批准号：42441805和42174184）的资助下，北京大学周煦之研究员团队与国内外合作者在空间等离子体跨尺度波-粒能量传输过程的研究中取得了进展。该研究成果以“空间等离子体跨尺度波粒能量传输的直接观测（Direct observations of cross-scale wave-particle energy transfer in space plasmas）“为题，于2025年2月7日发表于《科学进展》（Science Advances），论文链接：http://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr8227。

　　太空等离子体环境中存在着多种尺度的物理过程——从较大的流体尺度延伸至较小的离子回旋，乃至电子回旋尺度。在空间物理研究中，一个重要的前沿问题涉及不同尺度的物理过程是如何在无碰撞的等离子体环境中相互耦合，以及能量是如何跨尺度相互传输的。一般认为，这种跨尺度的能量传输主要来源于经典的湍流串级或非线性的波-波相互作用。作为等离子体环境中能量传输的另一种潜在机制，波-粒共振尽管在单一尺度的物理过程中时常扮演重要角色，但其在跨尺度能量耦合中的作用尚不明确。理论上，跨尺度的波-粒共振一般意味着在相空间中特定区域的同一群粒子可以与不同尺度的波动发生共振，且同一支波动又可在演化过程中分别与不同粒子发生共振，从而形成跨尺度的能量传输链条。然而，在这一方向上的研究存在着一个显著的难点——要观测到粒子对波动的直接响应，粒子数据的时间分辨率应显著高于波动频率，但这一条件在高频波动的观测中通常难以满足。这一观测证据的匮乏导致人们很难厘清跨尺度波-粒共振中涉及的能量传输链条，也很难对其效率进行准确的评估。

　　针对这一问题，研究团队基于磁层多尺度（MMS）卫星在地球弓激波上游太阳风中对电磁场和粒子分布的高分辨率观测数据，通过相空间分析的方法对多种波-粒共振过程进行诊断，并结合数值模拟手段，发现太空环境中的跨尺度能量传输可通过一系列有序的波-粒共振过程完成，从而提出了一条新的空间等离子体能量流动链条。在这一链条中，最初导致波动激发的自由能来自弓激波反射的太阳风离子，如图所示。它们可通过波-粒回旋共振和异常共振等方式，改变空间粒子的分布并激发新的波动，从而将空间中各能量段的质子与电子、以及超低频波、磁声-哨声波和高频哨声波等多支不同尺度的等离子体波模相互链接，将能量持续的由流体尺度传输至离子尺度，直至电子尺度。

　　这一研究主要关注地球附近的太空环境，但这种跨尺度的波-粒共振链条作为一种空间等离子体物理机制，具备一定的普适性。例如，在火星的前兆激波区域，人们已同时观测到了多种不同频率的等离子体波动。另一方面，这一区域的粒子分布则比地球空间更为复杂——除太阳风离子与电子成分外，还包括来自火星大气的重离子，从而为波动的激发和演化提供更为丰富的自由能。因此，这一研究中提出的跨尺度能量传输链条很可能同样适用于火星空间环境。基于这一理论框架开展研究，有望为火星（及其它行星）的空间能量传输问题和大气逃逸问题提供新的视角和思路。