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波粒子相互作用允许空间等离子体中无碰撞能量转移

发布时间:2018-09-19 21:56:01

地球的磁层包含等离子体,一种由正离子和负离子组成的电离气体。这些带电等离子体粒子的运动由电磁场控制。在这种无碰撞空间等离子体中发生的能量转移过程被认为是基于波-粒子相互作用,例如等离子体波引起的粒子加速和自发波产生,这使得能量和动量转移成为可能。

然而,尽管多年来一直在研究磁层中波与加速粒子共存的问题,但是它们之间相互作用的渐进性使得观察这些过程变得困难。因此,需要检测粒子和场之间的局部能量转移,以便能够定量评估它们的相互作用。

名古屋大学空间-地球环境研究所( ISEE )的研究人员是一个研究小组的成员,该小组使用四个磁层多尺度( MMS )航天器进行超快速测量,以评估与电磁离子回旋波相关的相互作用过程中发生的能量转移。名古屋大学的正辅正辅说:“我们观察到离子分布不是围绕磁场方向对称的,而是事实上与等离子体波场同相。”

MMS航天器提供的高时间分辨率测量与成分分辨离子测量相结合,以证明两次能量转移同时发生。第一次能量转移是通过回旋共振过程从热的各向异性氢离子转移到离子回旋波,而第二次转移是从回旋波转移到氦离子,这是通过非共振相互作用发生的,看到冷的He +离子被加速到高达2 keV的能量。

名古屋大学ISEE的Yoshizumi Miyoshi说:“这代表了两个不同粒子群之间通过波粒子相互作用发生无碰撞能量转移的直接定量证据。”“这种类型的测量甚至将提供识别正在发生的波粒子相互作用类型的能力。“该小组的发现最近发表在《科学》杂志上。
希望这项研究代表了定量理解空间等离子体中粒子群之间的波粒子相互作用和能量转移的重要一步。这将有助于我们理解各种各样的空间等离子体现象,包括范艾伦辐射带、磁暴、极光粒子沉淀和行星大气损失,如地球大气中氧离子的损失。

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