“尺度”研究揭示太空跨尺度能量传输新机制

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本报讯（记者韩扬眉）近日，北京大学地球与空间科学学院教授宗秋刚团队研究提出，在空间和天体等离子体中，跨尺度波动—粒子相互作用，可导致能量从宏观尺度到微观尺度的快速输运。这一机制有助于解释空间和天体系统中的能量耗散问题以及等离子体的加热加速问题。相关论文在线发表于《自然—通讯》。

近期，宗秋刚团队通过分析观测资料证实，跨尺度波动—粒子相互作用是一种可能的跨尺度能量输运机制。这类似于大气中充斥着声波，空间和天体等离子体中也充斥着各种等离子体波动。但是由于构成等离子体的组分（通常为质子和电子）的质量相差悬殊，等离子体波动具有多种不同的时间和空间尺度。

等离子体波动可根据尺度粗略划分为三大类：流体尺度波动、离子尺度波动和电子尺度波动。研究团队通过详细分析美国宇航局的磁层多尺度探测（MMS）任务获得的数据，发现空间中的离子可以同时和宏观尺度的超低频波、微观尺度的电磁离子回旋波相互作用。通过这一相互作用，能量首先从超低频波先传递到离子，然后从离子传递到电磁离子回旋波，最后通过电磁离子回旋波—离子回旋共振而耗散。与传统湍流串级模型不同，在这一跨尺度波动—粒子相互作用中，能量可直接从宏观尺度传递到微观尺度，无须经过中间尺度的介导。对观测数据的定量分析表明，跨尺度波动—粒子相互作用的时间尺度约为1分钟，远小于各种空间和天体能量过程的时间尺度，证明其是一种有效的跨尺度输运能量的机制。

研究还发现，跨尺度波动—粒子相互作用可导致不同尺度的动态过程相互耦合，以及空间等离子体加热和加速。这些发现为进一步理解极光、地磁脉动以及空间高能粒子的产生提供了新思路。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41467-022-33298-6

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