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空間中心科研人員在回旋異性電子分布函數的形成機制研究中取得進展

文章來源: | 發布時間:2021-03-17 | 【打印】【關閉】

  電子的速度分布函數(electron velocity distribution function)用于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。一般情形下,電子的速度分布函數為回旋各向同性;但在電子尺度面附近,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,例如在磁場重聯的電子擴散區內。對回旋異性電子分布函數的深入研究,有助于揭示空間等離子體電子尺度的物理過程。空間天氣學國家重點實驗室王赤研究員團隊的高傳慧博士研究生、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詳細的研究,發現局地強電場的加速效應可以直接形成回旋異性電子,并對將來的空間電子探測精度提出建議。該研究成果已于近日發表于地球物理領域國際知名期刊Geophysical Research Letters 

  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,這一機制在以往研究中已深入探討。該研究團組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,使得其遠離原本的低能核心區域,從而形成回旋各向異性分布。研究團隊借由測試粒子(test particle)的方法對以上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(圖一)。利用測試粒子進一步研究,研究團隊發現,當電場太小時,無法有效加速電子;而當電場空間尺度過大,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,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。具體而言,MMS30毫秒電子分布函數探測結果是由四個連續的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的差別的探測結果,從而形成手指狀分布。團隊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就會減小,進而就會減弱乃至消除手指狀分布(圖二)。 

  局地強電場在空間湍動環境中普遍存在,研究團隊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更深遠的意義。

    論文鏈接 

  圖一: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-a4a1中的位置。b1-b4c1-c4d1-d4e1-e4a1-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。 

  圖二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 

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