研究發現太空跨尺度能量傳輸新機制

宇宙空間存在著多種不同尺度的物理行為，從由電子回旋運動、離子回旋運動表征的微觀尺度，一直延伸到與行星大小相當的宏觀尺度，跨越超過8個數量級。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？

9月23日，《自然—通訊》在線發表了北京大學地球與空間科學學院教授宗秋剛團隊最新研究成果，回答了這一問題。研究提出，在空間和天體等離子體中，跨尺度波動—粒子相互作用，可導致能量從宏觀尺度到微觀尺度的快速輸運。這一機制有助于解釋空間和天體系統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宇宙，構成了各種各樣的天體和空間系統，例如行星磁層、太陽日冕、太陽風和日球層以及星際介質。理解這些等離子體系統的歷史和演化，一個重要的問題是，宏觀、定向運動的能量如何轉化成微觀、隨機運動的能量。

不過，由于空間和天體等離子體密度一般非常低，在通常情況下起主導作用的熱碰撞難以發生。例如，在太陽系中，一個從太陽運動到地球的帶電粒子只會經歷約一次碰撞。因為，在各種空間和天體系統中，從宏觀向微觀的能量轉換一般通過電磁相互作用來完成。作為一種長程相互作用，電磁相互作用可以在很長的距離上起作用，因此，可以把分布稀疏的帶電粒子聯系起來。

對于一個具體的空間和天體等離子體系統而言，電磁相互作用又有多種不同形式，從而可以以多種不同的方式介導能量的跨尺度輸運。目前主流的跨尺度能量傳輸機制是湍流串級模型，該模型認為，能量是通過一系列相近尺度逐漸從宏觀尺度輸運到微觀尺度。為了更好地理解各種空間和天體系統中的能量過程，尋找湍流串級之外的跨尺度能量傳輸機制是當前空間物理和天體物理領域的研究熱點之一。

近期，宗秋剛團隊通過分析觀測資料證實，跨尺度波動-粒子相互作用（即帶電粒子同時和不同尺度的等離子體波動相互作用）是一種可能的跨尺度能量輸運機制，這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。但是由于構成等離子體的組分（通常為質子和電子）的質量相差懸殊，等離子體波動具有多種不同的時間和空間尺度。

等離子體波動可以最粗略地根據尺度劃分為三大類：流體尺度波動、離子尺度波動和電子尺度波動。其中前一種波動又被稱為宏觀尺度波動，而后兩種被統稱為微觀尺度波動。不同尺度的等離子體波動會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是一種典型的宏觀尺度波動，它可以通過漂移-彈跳共振加速帶電粒子，從而產生會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，其常通過回旋共振和帶電粒子相互作用，這種作用的結果之一就是導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的過程產生極光等現象。但無論具體的作用方式，波動-粒子相互作用都可導致電磁場和帶電粒子間的能量交換。

在研究中，研究團隊通過詳細分析美國國家航空航天局的Magnetospheric Multiscale任務獲得的數據，發現空間中的離子可以同時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先傳遞到離子，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-離子回旋共振而耗散。與傳統湍流串級模型不同，在這一跨尺度波動-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，無需經過中間尺度的介導。對觀測數據的定量分析表明，跨尺度波動-粒子相互作用的時間尺度約為1分鐘，遠小于各種空間和天體能量過程的時間尺度，證明其是一種有效的跨尺度輸運能量的機制。

除了介導能量的跨尺度輸運，研究還發現，跨尺度波動-粒子相互作用可導致不同尺度的動態過程相互耦合，以及空間等離子體加熱和加速。這些發現為進一步理解極光、地磁脈動以及空間高能粒子的產生提供了新的思路。