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中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院陸全明和王榮生研究團隊，在湍動磁場重聯(lián)電子加速研究領(lǐng)域取得重要進展?；诘厍虼艑佣喑叨刃l(wèi)星（MMS）原位探測數(shù)據(jù)，該團隊的研究首次發(fā)現(xiàn)磁場重聯(lián)擴散區(qū)可演化為湍流態(tài)。在處于湍動態(tài)的磁場重聯(lián)擴散區(qū)，電子可通過多種加速機制（二階費米、betatron加速、靜電勢等）被有效地加速至相對論能量（~300KeV），并在分布函數(shù)上呈現(xiàn)冪律譜分布。相關(guān)結(jié)果于6月10日在線發(fā)表在Nature Communications上。

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到小尺度，最終在動力學(xué)尺度被耗散，并加熱或加速等離子體。這兩個基礎(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)的演化也會受到湍流的影響。

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2：擴散區(qū)內(nèi)絲狀電流絲的統(tǒng)計特征。(a)絲狀電流絲強度；(b)絲狀電流持續(xù)時間(尺度)。顏色表示GSE坐標(biāo)系下電流絲的主導(dǎo)方向。

利用高時空分辨率、高精度的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，該研究團隊在地球磁尾電流片中觀測到一個正在發(fā)生重聯(lián)的電流片，而且衛(wèi)星穿越了重聯(lián)的擴散區(qū)（圖1中陰影部分）。與典型重聯(lián)模型不同，該擴散區(qū)不是一個完整的層流電流片，而是破碎為大量電流絲（圖1d）。這些不同強度（圖2a），不同尺度的電流絲 （圖2b）在擴散區(qū)內(nèi)沿著各個方向延伸（主要在x和y方向），并相互交織，形成了一個三維的網(wǎng)狀電流體系，也即該擴散區(qū)處于湍流狀態(tài)。在這個湍流態(tài)的擴散區(qū)內(nèi)，高達300KeV的高能電子通量顯著增加（圖1e），且高能電子在分布函數(shù)上呈現(xiàn)冪律譜分布（圖3）。研究結(jié)果表明，重聯(lián)的擴散區(qū)可以演化為湍流狀態(tài)，電子在湍流態(tài)的擴散區(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。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士生李新民是論文的第一作者，王榮生教授和陸全明教授是論文的共同通訊作者。該研究獲得了中國科學(xué)院和國家自然科學(xué)基金委的資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-31025-9

（地球和空間科學(xué)學(xué)院、科研部）