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滾動(dòng)：太空跨尺度能量如何傳輸？我國學(xué)者有最新發(fā)現(xiàn)

發(fā)布時(shí)間：2022-09-27 08:33:58 文章來源：科技日報(bào)

太空跨尺度能量如何傳輸？我國學(xué)者有最新發(fā)現(xiàn)

(資料圖片)

宇宙中存在著多種不同尺度的物理行為，從由電子回旋運(yùn)動(dòng)和離子回旋運(yùn)動(dòng)表征的微觀尺度，一直延伸到與行星大小相當(dāng)?shù)暮暧^尺度，跨越超過8個(gè)數(shù)量級(jí)。這些不同尺度的物理過程如何耦合？能量如何在它們之間輸運(yùn)？

記者獲悉，9月23日，北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院教授宗秋剛帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)在國際學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》上發(fā)文，提出在空間和天體等離子體中，跨尺度波動(dòng)—粒子相互作用（即帶電粒子同時(shí)和不同尺度的等離子體波動(dòng)相互作用）可導(dǎo)致能量從宏觀尺度到微觀尺度的快速輸運(yùn)。這一新發(fā)現(xiàn)的機(jī)制有助于解釋空間和天體系統(tǒng)中的能量耗散問題以及等離子體的加熱加速問題。

等離子體充斥著整個(gè)宇宙，構(gòu)成了各種各樣的天體和空間系統(tǒng)，例如行星磁層、太陽日冕、太陽風(fēng)和日球?qū)右约靶请H介質(zhì)等。要理解這些等離子體系統(tǒng)的歷史和演化，其中一個(gè)重要的問題是宏觀的、定向運(yùn)動(dòng)的能量如何轉(zhuǎn)化成微觀的、隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的能量。

類似于大氣中充斥著聲波，空間和天體等離子體中也充斥著各種等離子體波動(dòng)。但由于構(gòu)成等離子體的組分（通常為質(zhì)子和電子）的質(zhì)量相差懸殊，等離子體波動(dòng)具有多種不同的時(shí)間和空間尺度。最粗略地，等離子體波動(dòng)可以根據(jù)尺度劃分為三大類：流體尺度波動(dòng)、離子尺度波動(dòng)和電子尺度波動(dòng)。其中第一種波動(dòng)又被稱為宏觀尺度波動(dòng)，而后兩種被統(tǒng)稱為微觀尺度波動(dòng)。

不同尺度的等離子體波動(dòng)會(huì)以不同的方式和帶電粒子相互作用。例如，地球磁層中的超低頻波動(dòng)是一種典型的宏觀尺度波動(dòng)，它可以通過漂移—彈跳共振加速帶電粒子，從而產(chǎn)生會(huì)危害航天器和宇航員安全的殺手電子等。而電磁離子回旋波則是一種典型的微觀尺度波動(dòng)，其常通過回旋共振和帶電粒子相互作用，這種作用的結(jié)果之一就是導(dǎo)致空間中的帶電粒子沉降到地球大氣中，這些沉降粒子還可以通過后續(xù)的過程產(chǎn)生極光等現(xiàn)象。但無論哪種具體的作用方式，波動(dòng)—粒子相互作用都可導(dǎo)致電磁場和帶電粒子間的能量交換。

對于一個(gè)具體的空間和天體等離子體系統(tǒng)而言，電磁相互作用又有多種不同的形式，從而可以以多種不同的方式介導(dǎo)能量的跨尺度輸運(yùn)。目前主流的跨尺度能量傳輸機(jī)制是湍流串級(jí)模型，其認(rèn)為能量是通過一系列相近的尺度逐漸從宏觀尺度輸運(yùn)到微觀尺度。為了更好地理解各種空間和天體系統(tǒng)中的能量過程，尋找湍流串級(jí)之外的跨尺度能量傳輸機(jī)制是當(dāng)前空間物理和天體物理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

宗秋剛帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)通過分析觀測資料證實(shí)，跨尺度波動(dòng)—粒子相互作用是一種可能的跨尺度能量輸運(yùn)機(jī)制。

在這項(xiàng)研究中，宗秋剛團(tuán)隊(duì)通過詳細(xì)分析美國國家航空航天局（NASA）的磁層多尺度任務(wù)獲得的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)空間中的離子可以同時(shí)和宏觀尺度的超低頻波、微觀尺度的電磁離子回旋波相互作用。通過這一相互作用，能量首先從超低頻波傳遞到離子，然后從離子傳遞到電磁離子回旋波，最后通過電磁離子回旋波—離子回旋共振耗散。

與傳統(tǒng)湍流串級(jí)模型不同，在這一跨尺度波動(dòng)—粒子相互作用中，能量可以直接從宏觀尺度傳遞到微觀尺度，無需經(jīng)過中間尺度的介導(dǎo)。對觀測數(shù)據(jù)的定量分析表明，跨尺度波動(dòng)—粒子相互作用的時(shí)間尺度約為1分鐘，遠(yuǎn)小于各種空間和天體能量過程的時(shí)間尺度，證明其是一種有效的跨尺度輸運(yùn)能量的機(jī)制。

除了介導(dǎo)能量的跨尺度輸運(yùn)，該項(xiàng)研究還發(fā)現(xiàn)跨尺度波動(dòng)—粒子相互作用可導(dǎo)致不同尺度的動(dòng)態(tài)過程相互耦合，以及空間等離子體加熱和加速。這些發(fā)現(xiàn)為進(jìn)一步理解極光、地磁脈動(dòng)以及空間高能粒子的產(chǎn)生提供了新的思路。

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