近日，北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院教授宗秋剛團(tuán)隊研究提出，在空間和天體等離子體中，跨尺度波動—粒子相互作用，可導(dǎo)致能量從宏觀尺度到微觀尺度的快速輸運。這一機(jī)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。相關(guān)論文在線發(fā)表于《自然—通訊》。

近期，宗秋剛團(tuán)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(jī)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(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。

等離子體波動可根據(jù)尺度粗略劃分為三大類：流體尺度波動、離子尺度波動和電子尺度波動。研究團(tuán)隊通過詳細(xì)分析美國宇航局的磁層多尺度探測(MMS)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(tǒng)湍流串級模型不同，在這一跨尺度波動—粒子相互作用中，能量可直接從宏觀尺度傳遞到微觀尺度，無須經(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(yuǎn)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(jī)制。

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(jìn)一步理解極光、地磁脈動以及空間高能粒子的產(chǎn)生提供了新思路。(記者韓揚眉)

關(guān)鍵詞： 研究揭示太空跨尺度能量傳輸新機(jī)制 等離子體波動具有多種不同的時間和空間尺度 動態(tài)過程相互耦合 構(gòu)成等離子體的組分質(zhì)量相差懸殊