在太空等离子体环境中存在着不同尺度的物理过程——从较大的流体尺度一直延伸至较小的离子乃至电子回旋尺度。在空间物理研究中，一个重要的前沿问题涉及不同尺度的物理过程是如何耦合的，以及能量是如何跨尺度传输的。
北京大学空间所周煦之课题组通过分析MMS卫星数据，证实了波粒共振可以导致能量从流体尺度到离子尺度，最终到电子尺度的快速传输。这一成果有助于解释行星磁层与激波系统中的能量耗散问题及等离子体加速/加热问题。相关成果以“Direct observations of cross-scale wave-particle energy transfer in space plasmas” (空间等离子体跨尺度波粒能量传输的直接观测)为题，发表于国际学术期刊Science Advances (《科学进展》) [1]。
在空间无碰撞等离子体环境中，能量的传输与耗散可以通过等离子体波动与带电粒子之间的相互作用实现。波-粒共振是一种极为有效的能量传输过程。其中，一种极为重要的共振机制被称为回旋共振——当波的频率在粒子参考系中与粒子回旋频率相匹配时，粒子可以有效地从波中吸收或释放能量。回旋共振可以激发磁层中常见的电磁离子回旋波和哨声合声波，也可以加速环电流离子和相对论电子。当波动振幅足够强时，波动相关的洛伦兹力和电场力会显著影响粒子角速度，从而修正传统的回旋共振条件，这种机制被称为异常共振 [2,3]。异常共振的出现使得同一波动在不同振幅下可以与不同的等离子体成分发生共振，并进行能量传输。
图一：地球弓激波上游跨尺度波粒能量传输示意图
该研究发现，在地球弓激波前兆区域，反射的太阳风离子（能量为keV量级，投掷角约为135度）可通过回旋共振，激发流体尺度的超低频快模磁声波。随着波动增长，其振幅（）逐渐与背景磁场（
）相当（
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≈2/3），进而通过异常共振，加速投掷角40-90度的离子，使其对应的相空间密度升高。这种不稳定的离子分布可进而通过回旋共振，激发离子尺度的磁声哨声波。换言之，这些离子可以同时与流体尺度和离子尺度的波动发生共振，从而实现了由流体尺度到离子尺度的跨尺度能量传输。随着磁声哨声波振幅的增长（
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≈3/4），约几十eV的电子可通过异常共振机制获得加速，并最终通过回旋共振，激发电子尺度的高频哨声波。因此，通过多次波粒共振，能量可以从流体尺度传输到离子尺度，最终到电子尺度。
图二：MMS卫星观测到的离子分布以及流体和离子尺度波动
这一能量跨尺度传输过程不但激发了不同尺度的等离子体波动，还伴随着离子和电子的显著加速。图二上半栏展示了事件概览。从C栏中可以看出，离子尺度的磁声哨声波可被流体尺度的超低频波所调制。随着超低频波的波动振幅增长，离子的投掷角分布（D栏）出现了显著变化，这也意味着共振条件随着波动振幅而发生改变。图二下半栏展示了离子的回旋相位分布，其特征为显著的相位聚束信号，证实了大振幅超低频波可以通过异常共振加速离子。值得注意的是，L栏中28keV（FPI仪器能量上限）的离子也可被超低频波所加速。这说明超低频波可能可以加速更高能量乃至百keV的离子（FEEPS仪器探测到百keV离子相空间密度显著上升），有助于解释激波研究中关键的“离子注入”问题。类似地，大振幅磁声哨声波可以加速约500eV的非热电子（见图三F栏），这也有助于解释激波“电子注入”问题。鉴于在天体以及激波附近存在着丰富的等离子体波动，这种跨尺度的波粒能量传输机制为我们深入理解能量传输、耗散以及系统演化过程提供了新的视角和思路。
图三：MMS卫星观测到的电子分布以及离子和电子尺度波动
本论文第一作者为李京寰博士，他于2024年在北京大学获得博士学位，现为瑞典空间物理研究所博士后，以第一作者身份在Nature Communications, Science Advances, Physical Review Letters等国际期刊发表论文7篇。周煦之研究员为论文的通讯作者。其他合作者包括法国天体物理与行星科学研究所刘志扬博士，北京大学汪珊研究员、乐超研究员、宗秋刚教授，中国地质大学李莉副教授，以及来自日本京都大学，美国宇航局，美国加州大学洛杉矶分校，美国西南研究院的研究人员。相关工作得到了国家自然科学基金以及澳门科技大学月球与行星科学国家重点实验室开放项目的支持。
[1] J.-H. Li, X.-Z. Zhou, Z.-Y. Liu, S. Wang, Y. Omura, L. Li, C. Yue, Q.-G. Zong, G. Le, C. T. Russell, J. L. Burch, Direct observations of cross-scale wave-particle energy transfer in space plasmas. Science Advances 11, 6 (2025).
[2] J.-H. Li, Z.-Y. Liu, X.-Z. Zhou, L. Li, Y. Omura, C. Yue, Q.-G. Zong, Z.-Y. Pu, S.-Y. Fu, L. Xie, C. T. Russell, C. J. Pollock, G. Le, J. L. Burch, Anomalous resonance between low-energy particles and electromagnetic plasma waves. Communications Physics 5, 300 (2022).
[3] J.-H. Li, X.-Z. Zhou, Z.-Y. Liu, S. Wang, A. V. Artemyev, Y. Omura, X.-J. Zhang, L. Li, C. Yue, Q.-G. Zong, C. Pollock, G. Le, J. L. Burch, Identification of Coupled Landau and Anomalous Resonances in Space Plasmas. Physical Review Letters 133, 035201 (2024).
文章链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr8227
