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太空跨尺度能量如何传输? 我国学者有最货币发现

◎本报记者 代小佩

【天闻频(pin)道】

宇宙中存在着多种不同尺度的(de)物理行为,从由电子回旋运动和离子回旋运动表征的(de)微观尺度,一直延伸到与行星大小相当的(de)宏观尺度,跨越超过8个数量级。这些不同尺度的(de)物理过程如何耦合?能量如何在它(ta)们(men)之间输运?

记者获悉,9月23日,北京大学地球与空间科学学院教授宗秋刚带领的(de)研究团队(tuandui)(dui)在国际学术期刊《自然·通讯》上发文,提出在空间和天体等离子体中,跨尺度波动—粒子相互作用(即带电粒子同时和不同尺度的(de)等离子体波动相互作用)可导致能量从宏观尺度到微观尺度的(de)快速输运。这一新发现的(de)机制有助于解释空间和天体系统中的(de)能量耗散问题以及等离子体的(de)加热加速问题。

等离子体充斥着整个宇宙,构成了各种各样的(de)天体和空间系统,例如行星磁层、太阳日冕、太阳风和日球层以及星际介质等。要理解这些等离子体系统的(de)历史和演化,其中一个重要的(de)问题是(shi)宏观的(de)、定向运动的(de)能量如何转化成微观的(de)、随机运动的(de)能量。

类似于大气中充斥着声波,空间和天体等离子体中也充斥着各种等离子体波动。但由于构成等离子体的(de)组分(通常为质子和电子)的(de)质量相差悬殊,等离子体波动具有多种不同的(de)时间(shijian)和空间尺度。最粗略地,等离子体波动可以根据尺度划分为三大类:流体尺度波动、离子尺度波动和电子尺度波动。其中第一种波动又被称为宏观尺度波动,而后两种被统称为微观尺度波动。

不同尺度的(de)等离子体波动会以不同的(de)方式和带电粒子相互作用。例如,地球磁层中的(de)超低频(pin)波动是(shi)一种典型的(de)宏观尺度波动,它(ta)可以通过漂移—弹跳共振加速带电粒子,从而产生会危害航天器和宇航员安全的(de)杀手电子等。而电磁离子回旋波则是(shi)一种典型的(de)微观尺度波动,其常通过回旋共振和带电粒子相互作用,这种作用的(de)结果之一就是(shi)导致空间中的(de)带电粒子沉降到地球大气中,这些沉降粒子还可以通过后续的(de)过程产生极光等现象。但无论哪种具体的(de)作用方式,波动—粒子相互作用都可导致电磁场和带电粒子间的(de)能量交换。

对(dui)于一个具体的(de)空间和天体等离子体系统而言,电磁相互作用又有多种不同的(de)形式,从而可以以多种不同的(de)方式介导能量的(de)跨尺度输运。目前主流的(de)跨尺度能量传输机制是(shi)湍流串级模型,其认为能量是(shi)通过一系列相近的(de)尺度逐渐从宏观尺度输运到微观尺度。为了更好(hao)地理解各种空间和天体系统中的(de)能量过程,寻找湍流串级之外的(de)跨尺度能量传输机制是(shi)当前空间物理和天体物理领域的(de)研究热点之一。

宗秋刚带领的(de)团队(tuandui)(dui)通过分析观测资料证实,跨尺度波动—粒子相互作用是(shi)一种可能的(de)跨尺度能量输运机制。

在这项研究中,宗秋刚团队(tuandui)(dui)通过详细分析美国国家航空航天局(NASA)的(de)磁层多尺度任务获得的(de)数据,发现空间中的(de)离子可以同时和宏观尺度的(de)超低频(pin)波、微观尺度的(de)电磁离子回旋波相互作用。通过这一相互作用,能量首先从超低频(pin)波传递到离子,然后从离子传递到电磁离子回旋波,最后通过电磁离子回旋波—离子回旋共振耗散。

与传统湍流串级模型不同,在这一跨尺度波动—粒子相互作用中,能量可以直接从宏观尺度传递到微观尺度,无需经过中间尺度的(de)介导。对(dui)观测数据的(de)定量分析表明,跨尺度波动—粒子相互作用的(de)时间(shijian)尺度约为1分钟,远小于各种空间和天体能量过程的(de)时间(shijian)尺度,证明其是(shi)一种有效的(de)跨尺度输运能量的(de)机制。

除了介导能量的(de)跨尺度输运,该项研究还发现跨尺度波动—粒子相互作用可导致不同尺度的(de)动态过程相互耦合,以及空间等离子体加热和加速。这些发现为进一步理解极光、地磁脉动以及空间高能粒子的(de)产生提供了新的(de)思路。 【编辑:房家梁】

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能量传输,回旋运动,电磁相互作用,地球磁层,能量耗散

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