中科大在湍动磁场重联电子加速领域取得重要进展

近日，中国科学技术大学陆全明和王荣生研究团队，在湍动磁场重联电子加速研究领域取得重要进展。相关成果在线发表于《自然·通讯》(Nature Communications)。

论文第一作者为中科大博士生李新民，共同通讯作者为中科大地球和空间科学学院教授王荣生和陆全明。

图片来自《自然·通讯》(Nature Communications)

基于地球磁层多尺度卫星(MMS)原位探测数据，前述团队首次发现磁场重联扩散区可演化为湍流态。在处于湍动态的磁场重联扩散区，电子可通过多种加速机制（二阶费米、电子感应加速器加速、静电势等）被有效地加速至相对论能量（约为300KeV，KeV为千电子伏特），并在分布函数上呈现幂律谱分布。幂律分布是指某个具有分布性质的变量，且其分布密度函数是幂函数的分布。

磁场重联是一种基本的等离子体物理过程。该过程中，磁自由能被快速地释放而转化为等离子体动能和热能，并产生高能电子。由磁场重联产生的高能电子被认为是伽马射线爆，太阳耀斑，以及磁暴等现象的主要驱动原因。

等离子体湍流是另一种基础的等离子体现象，广泛存在于空间等离子环境中。在等离子体湍流中，能量可以从大尺度输运到小尺度，最终在动力学尺度被耗散，并加热或加速等离子体。

前述两个基础的等离子体物理过程相互耦合，湍流可以由重联产生。反过来，重联的演化也会受到湍流影响。

图1：重联事例概览，(a)-(e)分别为磁场、离子流速、电子温度、电流密度和高能电子通量，图片来自中科大

利用高时空分辨率、高精度的卫星数据，研究团队在地球磁尾电流片中观测到一个正在发生重联的电流片，而且卫星穿越了重联的扩散区（如图1中阴影部分）。与典型重联模型不同，该扩散区不是一个完整的层流电流片，而是破碎为大量电流丝（如图1d）。这些不同强度（如图2a），不同尺度的电流丝 （如图2b）在扩散区内沿着各个方向延伸（主要为x和y方向），并相互交织，形成了一个三维的网状电流体系，即该扩散区处于湍流状态。

图2：扩散区内丝状电流丝的统计特征，(a)为丝状电流丝强度，(b)为丝状电流持续时间(尺度)，颜色表示地心-太阳黄道坐标系(GSE)下电流丝的主导方向，图片来自中科大

在前述湍流态的扩散区内，高达300KeV的高能电子通量显著增加（如图1e），且高能电子在分布函数上呈现幂律谱分布（如图3）。研究结果表明，重联的扩散区可以演化为湍流状态，电子在湍流态的扩散区内可被有效加速至几百KeV。

图3：电子分布函数，其中黑色为背景电子分布，图片来自中科大