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      重大突破

      紫金山天文臺在等離子體波粒相互作用的定量化研究方面取得進展

        不同于實驗室等離子體粒子頻繁碰撞,空間和天體等離子體主要表現為無碰撞特性,等離子體波與帶電粒子的相互作用主要影響(在某些情況下甚至控制)粒子動力學行為,以及相關的能量傳輸過程。波粒相互作用可以導致粒子能化和波動能量耗散,波能化粒子機制被廣泛認為是日冕加熱和太陽風加速的主要機制之一,波耗散機制也被認為是太陽風湍流耗散的決定性機制。波粒相互作用還進一步用來解釋星冕加熱、吸積流內電子和離子熱不平衡等問題。因而,波粒相互作用與空間和天體多種粒子能化現象緊密相關,是空間和天體等離子體研究中的一個前沿課題。

        上世紀四十到六十年代,等離子體物理學家基本建立了朗道、渡越時間和回旋共振相互作用的基礎理論,也認識到控制波粒能量傳輸的關鍵因素是擾動電場和擾動電流的相關性。但是,這些早期理論沒有解決該研究領域一個基礎問題,即如何定量化波粒能量傳輸過程中各種波粒相互作用的貢獻。近年來,研究人員基于衛星觀測和數值模擬數據,在不嚴格區分或不區分各種波粒相互作用類型的情況下,提出電場-電流相關方法,試圖對共振波粒相互作用進行定量化研究。

        中國科學院紫金山天文臺趙金松副研究員、吳德金研究員,與地球科學所李羅權教授、新奧能源研究院聚變技術研發中心謝華生博士、比利時科學院高層大氣和空間研究所 Viviane Pierrard和Yuriy Voitenko教授、紫金山天文臺博士生姚宇航合作,基于等離子體動理論模型,建立了以擾動電場分量和共振因子為指示器的波粒能量傳輸理論,提出了一種嚴格區分各種線性波粒相互作用的理論方法。為了展示該方法的有效性,研究人員將該方法應用于日地空間環境中最常見的阿爾文模式波,在理論和數值上分析了朗道、渡越時間和回旋類型的共振和非共振波粒相互作用,提出阿爾文色散面存在四個區域,分別由不同的波粒能量傳輸機制占據主導地位(見圖1)。對于這四種阿爾文模式波,他們還揭示出速度空間下的共振和非共振波粒能量傳輸率分布,預測了在多種波粒相互作用下粒子速度分布函數自然演化的歸宿,圖2顯示了離子尺度阿爾文波的離子能量傳輸率分布。該工作在理論上解決了定量化各種線性波粒相互作用在波粒能量傳輸過程中貢獻率的問題,對衛星觀測和數值模擬分析具有重要的指導意義。

        該工作得到了國家自然科學基金的資助,近期在國際核心天文刊物《天體物理雜志》(The Astrophysical Journal)在線發表。

        論文鏈接:https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ac59b7


      圖1:從上到下,阿爾文模式波與質子成分的能量傳輸率,阿爾文波與電子成分的能量傳輸率。從左到右,分別為不同共振因子(n=1、n=-1和n=0)作用下的波粒能量傳輸率。左上圖標注了四類阿爾文模式波區域,分別為準平行磁流體阿爾文波(I)、離子回旋波(II)、大角度傳播的磁流體和離子尺度阿爾文波(III)、以及亞離子尺度阿爾文波(IV)。


      圖2:離子尺度阿爾文波與離子之間的能量傳輸率。(左上)總的能量傳輸率;(右上)x-方向能量傳輸率(來自回旋相互作用);(左下)y-方向能量傳輸率(來自回旋和渡越時間相互作用);(右下)z-方向能量傳輸率(來自朗道相互作用)。

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