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面向世界科技前沿,面向國家重大需求,面向國民經濟主戰場,率先實現科學技術跨越發展,率先建成國家創新人才高地,率先建成國家高水平科技智庫,率先建設國際一流科研機構。

——中國科學院辦院方針

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空間中心等在回旋異性電子分布函數的形成機制研究中獲進展

2021-03-26 國家空間科學中心
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語音播報

  電子的速度分布函數(electron velocity distribution function)被用來刻畫電子在速度空間內的分布,是認識電子尺度動力學過程的關鍵物理量。一般情況下,電子的速度分布函數為回旋各向同性;但在電子尺度界面附近,由于電子的有限回轉半徑效應,分布函數可呈現回旋各向異性的特征,如在磁場重聯的電子擴散區內。深入研究回旋異性電子分布函數,有助于揭示空間等離子體電子尺度的物理過程。中國科學院國家空間科學中心空間天氣學國家重點實驗室研究員王赤團隊的高傳慧、唐斌斌、李文亞及國內外合作者對回旋異性電子電子分布函數的一般形成機制進行了研究,發現局地強電場的加速效應可以直接形成回旋異性電子,并對以后的空間電子探測精度提出建議。相關研究成果發表在Geophysical Research Letters上。

  在電子尺度邊界上,較強的密度梯度可引發電子的有限回轉半徑效應,進而在密度較低的一側產生回旋異性電子分布,有研究已深入探討過該機制。該研究中,研究人員在磁層多尺度衛星任務(Magnetospheric Multiscale mission, MMS)的觀測結果中發現了一種局地強電場加速電子實現回旋各向異性分布的新機制。在觀測到的事例中,一個較強的電場(~100 mV/m)給予部分電子充分的加速,使其遠離原本的低能核心區域,從而形成回旋各向異性分布。研究人員借由測試粒子(test particle)的方法對上述兩種機制進行了驗證,證實了電場加速引發回旋各向異性分布的可行性(圖1)。利用測試粒子,進一步研究發現,當電場太小時,無法有效加速電子;當電場空間尺度過大時,電子分布函數則會整體漂移。因此,只有當電場強度足夠且是局地時,才能夠產生各向異性分布。 

  此外,研究人員在觀測中還發現了手指狀分布(“finger”)的存在,該分布是受限于電子載荷探測精度而產生的“缺陷”觀測結果。具體來說,MMS的30毫秒電子分布函數探測結果由四個連續的7.5毫秒探測單元的數據拼接而成,當空間中存在快速變化時,這四個單元就會產生彼此之間存在較大差別的探測結果,從而形成手指狀分布。研究人員借由測試粒子重現了手指狀分布,而且發現如果將探測的時間分辨率提高(比如從30毫秒提高到6毫秒),這四個連續的探測單元之間的差別會減小,進而減弱乃至消除手指狀分布(圖2)。

  局地強電場在空間湍動環境中普遍存在,研究人員提出的局地強電場加速直接形成回旋各向異性電子分布的新機制表明,該類分布可能在更廣泛的空間區域內存在,而高精度的電子測量將有助于分辨出這些電子分布。同時,這種電子分布可能是不穩定的,它通過等離子體不穩定性釋放自由能的過程對未來理解包括磁場重聯在內的磁層能量耗散具有深遠意義。

  論文鏈接 

  圖1.回旋各向異性分布的測試粒子計算結果。a1為設置的初始條件。三個紅色圓圈表示a2-a4在a1中的位置。b1-b4、c1-c4、d1-d4和e1-e4與a1-a4相似,但初始條件不同。初始電場、電子密度、磁場和電勢在a1-e1中分別用藍色、紅色、綠色和黑色表示

  圖2.對手指狀分布的觀測和測試粒子計算結果,其中,a1是由a2-a5四個連續的7.5毫秒探測單元的數據拼接而成,而b2-b4是在三種不同采樣率下的測試粒子計算結果

打印 責任編輯:張芳丹

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