近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)陸全明和王榮生研究團(tuán)隊(duì)，在湍動(dòng)磁場重聯(lián)電子加速研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。相關(guān)成果在線發(fā)表于《自然·通訊》(Nature Communications)。

論文第一作者為中科大博士生李新民，共同通訊作者為中科大地球和空間科學(xué)學(xué)院教授王榮生和陸全明。

圖片來自《自然·通訊》(Nature Communications)

基于地球磁層多尺度衛(wèi)星(MMS)原位探測數(shù)據(jù)，前述團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)磁場重聯(lián)擴(kuò)散區(qū)可演化為湍流態(tài)。在處于湍動(dòng)態(tài)的磁場重聯(lián)擴(kuò)散區(qū)，電子可通過多種加速機(jī)制（二階費(fèi)米、電子感應(yīng)加速器加速、靜電勢等）被有效地加速至相對(duì)論能量（約為300KeV，KeV為千電子伏特），并在分布函數(shù)上呈現(xiàn)冪律譜分布。冪律分布是指某個(gè)具有分布性質(zhì)的變量，且其分布密度函數(shù)是冪函數(shù)的分布。

磁場重聯(lián)是一種基本的等離子體物理過程。該過程中，磁自由能被快速地釋放而轉(zhuǎn)化為等離子體動(dòng)能和熱能，并產(chǎn)生高能電子。由磁場重聯(lián)產(chǎn)生的高能電子被認(rèn)為是伽馬射線爆，太陽耀斑，以及磁暴等現(xiàn)象的主要驅(qū)動(dòng)原因。

等離子體湍流是另一種基礎(chǔ)的等離子體現(xiàn)象，廣泛存在于空間等離子環(huán)境中。在等離子體湍流中，能量可以從大尺度輸運(yùn)到小尺度，最終在動(dòng)力學(xué)尺度被耗散，并加熱或加速等離子體。

前述兩個(gè)基礎(chǔ)的等離子體物理過程相互耦合，湍流可以由重聯(lián)產(chǎn)生。反過來，重聯(lián)的演化也會(huì)受到湍流影響。

圖1：重聯(lián)事例概覽，(a)-(e)分別為磁場、離子流速、電子溫度、電流密度和高能電子通量，圖片來自中科大

利用高時(shí)空分辨率、高精度的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)在地球磁尾電流片中觀測到一個(gè)正在發(fā)生重聯(lián)的電流片，而且衛(wèi)星穿越了重聯(lián)的擴(kuò)散區(qū)（如圖1中陰影部分）。與典型重聯(lián)模型不同，該擴(kuò)散區(qū)不是一個(gè)完整的層流電流片，而是破碎為大量電流絲（如圖1d）。這些不同強(qiáng)度（如圖2a），不同尺度的電流絲 （如圖2b）在擴(kuò)散區(qū)內(nèi)沿著各個(gè)方向延伸（主要為x和y方向），并相互交織，形成了一個(gè)三維的網(wǎng)狀電流體系，即該擴(kuò)散區(qū)處于湍流狀態(tài)。

圖2：擴(kuò)散區(qū)內(nèi)絲狀電流絲的統(tǒng)計(jì)特征，(a)為絲狀電流絲強(qiáng)度，(b)為絲狀電流持續(xù)時(shí)間(尺度)，顏色表示地心-太陽黃道坐標(biāo)系(GSE)下電流絲的主導(dǎo)方向，圖片來自中科大

在前述湍流態(tài)的擴(kuò)散區(qū)內(nèi)，高達(dá)300KeV的高能電子通量顯著增加（如圖1e），且高能電子在分布函數(shù)上呈現(xiàn)冪律譜分布（如圖3）。研究結(jié)果表明，重聯(lián)的擴(kuò)散區(qū)可以演化為湍流狀態(tài)，電子在湍流態(tài)的擴(kuò)散區(qū)內(nèi)可被有效加速至幾百KeV。

圖3：電子分布函數(shù)，其中黑色為背景電子分布，圖片來自中科大