摘要：

中科院比较行星学卓越创新中心骨干成员、中国科学技术大学地球和空间科学学院陆全明、王荣生研究团队，在湍动磁场重联电子加速研究领域取得重要进展。该团队利用MMS卫星首次发现磁场重联扩散区可演化为湍流态，电子在其中可被有效地加速至相对论能量，并形成幂律谱分布。相关结果6月10日在线发表在Nature Communications上。

磁场重联是一种基本的等离子体物理过程。该过程中，磁自由能被快速地释放而转化为等离子体动能和热能，并产生高能电子。由磁场重联产生的高能电子被认为是伽马射线爆，太阳耀斑，以及磁暴等现象的主要驱动原因。等离子体湍流是另一种基础的等离子体现象，广泛存在于空间等离子环境中。在等离子体湍流中，能量可以从大尺度输运到小尺度，最终在动力学尺度被耗散，并加热或加速等离子体。这两个基础的等离子体物理过程相互耦合，湍流可以由重联产生，反过来，重联的演化也会受到湍流的影响。

图1：磁场重联事例概览。（a）-（e）分别为：磁场、离子流速、电子温度、电流密度和高能电子通量。

图2：扩散区内丝状电流丝的统计特征。(a) 丝状电流丝强度；(b) 丝状电流持续时间(尺度)。颜色表示GSE坐标系下电流丝的主导方向。

利用高时空分辨率、高精度的地球磁层多尺度卫星（MMS）原位探测数据，该研究团队在地球磁尾电流片中观测到一个正在发生磁场重联的电流片，而且卫星穿越了磁场重联的扩散区（图1中阴影部分）。与典型磁场重联模型不同，该扩散区不是一个完整的层流电流片，而是破碎为大量电流丝（图1d）。这些不同强度（图2a），不同尺度的电流丝 （图2b）在扩散区内沿着各个方向延伸（主要在x和y方向），并相互交织，形成了一个三维的网状电流体系，也即该扩散区处于湍流态。在这个湍流态的扩散区内，电子通过多种加速机制（二阶费米、betatron加速、静电势等）被有效地加速至相对论能量，~300 KeV（图1e），并在分布函数上呈现幂律谱分布（图3）。研究结果表明，磁场重联的扩散区可以演化为湍流状态，电子在湍流态的扩散区内可被有效加速至几百KeV。

图3 ：电子分布函数。其中黑色为背景电子分布。

中国科学技术大学博士生李新民是论文的第一作者，王荣生教授和陆全明教授是论文的共同通讯作者。该研究获得了中国科学院和国家自然科学基金委的资助。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-31025-9（点击下方阅读原文）

作者：王荣生

编辑：李婧

审核：李阳