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滾動:太空跨尺度能量如何傳輸? 我國學(xué)者有最新發(fā)現(xiàn)
發(fā)布時間:2022-09-27 08:33:58 文章來源:科技日報
太空跨尺度能量如何傳輸?我國學(xué)者有最新發(fā)現(xiàn)


(資料圖片)

宇宙中存在著多種不同尺度的物理行為,從由電子回旋運動和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(dāng)?shù)暮暧^尺度,跨越超過8個數(shù)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?

記者獲悉,9月23日,北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院教授宗秋剛帶領(lǐng)的研究團隊在國際學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》上發(fā)文,提出在空間和天體等離子體中,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)可導(dǎo)致能量從宏觀尺度到微觀尺度的快速輸運。這一新發(fā)現(xiàn)的機制有助于解釋空間和天體系統(tǒng)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(gòu)成了各種各樣的天體和空間系統(tǒng),例如行星磁層、太陽日冕、太陽風(fēng)和日球?qū)右约靶请H介質(zhì)等。要理解這些等離子體系統(tǒng)的歷史和演化,其中一個重要的問題是宏觀的、定向運動的能量如何轉(zhuǎn)化成微觀的、隨機運動的能量。

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。但由于構(gòu)成等離子體的組分(通常為質(zhì)子和電子)的質(zhì)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。最粗略地,等離子體波動可以根據(jù)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。其中第一種波動又被稱為宏觀尺度波動,而后兩種被統(tǒng)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(chǎn)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(jié)果之一就是導(dǎo)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(xù)的過程產(chǎn)生極光等現(xiàn)象。但無論哪種具體的作用方式,波動—粒子相互作用都可導(dǎo)致電磁場和帶電粒子間的能量交換。

對于一個具體的空間和天體等離子體系統(tǒng)而言,電磁相互作用又有多種不同的形式,從而可以以多種不同的方式介導(dǎo)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,其認(rèn)為能量是通過一系列相近的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(tǒng)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(dāng)前空間物理和天體物理領(lǐng)域的研究熱點之一。

宗秋剛帶領(lǐng)的團隊通過分析觀測資料證實,跨尺度波動—粒子相互作用是一種可能的跨尺度能量輸運機制。

在這項研究中,宗秋剛團隊通過詳細分析美國國家航空航天局(NASA)的磁層多尺度任務(wù)獲得的數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)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—離子回旋共振耗散。

與傳統(tǒng)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(jīng)過中間尺度的介導(dǎo)。對觀測數(shù)據(jù)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(dǎo)能量的跨尺度輸運,該項研究還發(fā)現(xiàn)跨尺度波動—粒子相互作用可導(dǎo)致不同尺度的動態(tài)過程相互耦合,以及空間等離子體加熱和加速。這些發(fā)現(xiàn)為進一步理解極光、地磁脈動以及空間高能粒子的產(chǎn)生提供了新的思路。 

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