地球磁鞘中动理学尺度磁洞的研究进展

作     者：史全岐 姚淑涛 Maria HAMRIN 刘吉 

作者机构：山东大学空间科学研究院山东省光学天文与日地环境重点实验室威海264209 Department of PhysicsUmeåUniversityUmeå90746Sweden Department of PhysicsUniversity of AlbertaEdmonton T6K 2P6Canada 

出 版 物：《中国科学：地球科学》 (Scientia Sinica(Terrae))

年 卷 期：2024年第54卷第9期

页      面：2789-2822页

核心收录：

学科分类：070802[理学-空间物理学] 07[理学] 0708[理学-地球物理学] 

基　　金：国家自然科学基金项目(42225405、42104153) 山东省自然科学基金项目(ZR2021QD097) 中国博士后科学基金项目(2021M701975) 瑞士伯尔尼国际空间科学研究所ISSI国际团队项目(#517、#555)资助 

主　　题：磁洞 电子涡旋 镜像模 磁鞘 湍流 相干结构 动理学尺度 电子加速 哨声波 

摘      要：离子到电子动理学尺度上的磁洞(Kinetic Scale Magnetic Holes, KSMHs)是磁化的湍流等离子体中产生的极其微小的结构之一.近年来,借助磁层多尺度卫星(MMS)超高精度的观测数据, KSMHs的研究取得了显著进展.本文总结了地球磁鞘湍流中观测到的KSMHs的最新特性,以及它们对空间等离子体的影响.研究人员发现,KSMHs呈现出由电子抗磁漂移引起的准圆形电子涡旋结构.这些电子表现出明显的各向异性并被加速.在地球的磁鞘中, KSMHs的发生率明显高于太阳风和磁尾,表明湍动的磁鞘是其主要的产生区域.此外,研究发现,KSMHs能够在针对等离子体湍流的模拟中产生,并成功地被动理学平衡模型所复现.研究证实了KSMHs能够通过非绝热加速机制加速电子,并可能成为磁重联过程中能量耗散的额外途径.值得注意的是, KSMHs能够在空间等离子体中产生多种波现象,包括哨声波、静电孤立波和电子回旋波.这些结果突显了KSMHs的影响,如波粒相互作用、能量级联/耗散以及粒子加速/加热等.本文梳理了这些发现,探讨了它们的产生机制、类似结构,以及在地球磁尾和太阳风中的观测.未来在这一活跃的研究领域需要展开更深入探索.