近日，中國科學技術(shù)大學陸全明和王榮生研究團隊，在湍動磁場重聯(lián)電子加速研究領(lǐng)域取得重要進展。相關(guān)成果在線發(fā)表于《自然·通訊》(Nature Communications)。
論文第一作者為中科大博士生李新民，共同通訊作者為中科大地球和空間科學學院教授王榮生和陸全明。
基于地球磁層多尺度衛(wèi)星(MMS)原位探測數(shù)據(jù)，前述團隊首次發(fā)現(xiàn)磁場重聯(lián)擴散區(qū)可演化為湍流態(tài)。在處于湍動態(tài)的磁場重聯(lián)擴散區(qū)，電子可通過多種加速機制（二階費米、電子感應(yīng)加速器加速、靜電勢等）被有效地加速至相對論能量（約為300KeV，KeV為千電子伏特），并在分布函數(shù)上呈現(xiàn)冪律譜分布。冪律分布是指某個具有分布性質(zhì)的變量，且其分布密度函數(shù)是冪函數(shù)的分布。
磁場重聯(lián)是一種基本的等離子體物理過程。該過程中，磁自由能被快速地釋放而轉(zhuǎn)化為等離子體動能和熱能，并產(chǎn)生高能電子。由磁場重聯(lián)產(chǎn)生的高能電子被認為是伽馬射線爆，太陽耀斑，以及磁暴等現(xiàn)象的主要驅(qū)動原因。
等離子體湍流是另一種基礎(chǔ)的等離子體現(xiàn)象，廣泛存在于空間等離子環(huán)境中。在等離子體湍流中，能量可以從大尺度輸運到小尺度，最終在動力學尺度被耗散，并加熱或加速等離子體。
前述兩個基礎(chǔ)的等離子體物理過程相互耦合，湍流可以由重聯(lián)產(chǎn)生。反過來，重聯(lián)的演化也會受到湍流影響。
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利用高時空分辨率、高精度的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，研究團隊在地球磁尾電流片中觀測到一個正在發(fā)生重聯(lián)的電流片，而且衛(wèi)星穿越了重聯(lián)的擴散區(qū)。與典型重聯(lián)模型不同，該擴散區(qū)不是一個完整的層流電流片，而是破碎為大量電流絲。這些不同強度，不同尺度的電流絲在擴散區(qū)內(nèi)沿著各個方向延伸（主要為x和y方向），并相互交織，形成了一個三維的網(wǎng)狀電流體系，即該擴散區(qū)處于湍流狀態(tài)。
在前述湍流態(tài)的擴散區(qū)內(nèi)，高達300KeV的高能電子通量顯著增加，且高能電子在分布函數(shù)上呈現(xiàn)冪律譜分布。研究結(jié)果表明，重聯(lián)的擴散區(qū)可以演化為湍流狀態(tài)，電子在湍流態(tài)的擴散區(qū)內(nèi)可被有效加速至幾百KeV。
標簽： 電子加速 磁場重聯(lián)
