地空学院周煦之与宗秋刚团队对太空中嵌套磁洞的观测与重构工作被选入《自然-通讯》高光集锦

近日，国际学术期刊《自然-通讯》（Nature Communications）推出了其首批高光论文集锦（Editor’s Highlight）。在这一集锦中，期刊编辑从近年发表的论文中选取了一小部分“最为激动人心的工作”以飨读者，其中包括北京大学地球与空间科学学院周煦之与宗秋刚团队对太空中嵌套磁洞的观测与重构工作。

在这一工作中，该研究团队通过构建自洽的等离子体平衡态模型，对太空中观测到的嵌套型磁洞进行了动理学重构。研究团队从弗拉索夫-麦克斯韦方程组出发，并考虑了电子的绝热运动和等离子体的准中性条件，求解出磁洞的动理学平衡态模型。该模型与观测结果高度一致（见图一），证实了磁洞作为稳定的抗磁结构，其磁场强度的下降源自于其束缚的等离子体。这一工作为理解太空中磁洞的形成及其在空间等离子体湍流过程中的作用提供了新的启示。相关成果以“Self-consistent kinetic model of nested electron- and ion-scale magnetic cavities in space plasmas（空间等离子体中嵌套电子-离子尺度磁洞的自洽动理学模型）”为题，于2020年11月发表于Nature Communications。该论文的两名共同第一作者为地空学院博士研究生李京寰和杨帆，通讯作者为周煦之与宗秋刚。

图一：卫星观测（左）与平衡态磁洞模型（右）的对比

在这一工作基础上，该团队近来进一步拓展了对磁洞的研究。由于上述模型只能对线性磁洞（结构中磁场的方向不发生改变）实现重构，无法对另一种类型的磁洞（即螺旋型磁洞，磁场包括轴向和环向分量）进行描述。为此，该团队通过在分布函数中添加新的守恒量对上述模型进行改进。新的守恒量使得磁洞结构中存在有轴向的电流，从而获得了螺旋磁洞的平衡解。该模型与MMS两颗卫星的观测十分接近（见图二）。相关结果以Helical Magnetic Cavities: Kinetic Model and Comparison with MMS Observations为题，于2021年发表于Geophysical Research Letters。

图二：卫星观测（左）与螺旋型磁洞模型（右）的对比

平衡态模型除了直接对磁洞进行描述，还可以用来作为单粒子模拟的起点来对磁洞演化进行研究。在上面两个事件中，电子的投掷角分布总会集中于90度。但在其他事件中，人们发现磁洞中还会出现“甜甜圈”形状的电子投掷角分布（在磁洞中心90度投掷角的相空间密度低于中等度数比如60度或者120度，而在磁洞边缘电子仍然集中在90度）。这种特殊形态的电子投掷角分布被认为来自于磁洞的加深（中心处磁场强度随时间下降）和收缩（磁洞的尺度随时间变小）过程。研究团队检验这一过程中的电子投掷角演化特征，通过粒子模拟方法重现了“甜甜圈”分布的出现与演化特征（见图三）。相关成果以On the Origin of Donut‐Shaped Electron Distributions Within Magnetic Cavities为题，于2021年发表于Geophysical Research Letters。

图三：初始电子90度集中（左）和演化后甜甜圈投掷角分布（中，右对应不同演化时间）

[1] Li, J.-H., Yang, F., Zhou, X.-Z., Zong, Q.-G., Artemyev, A. V., Rankin, R., Shi, Q., Yao, S., Liu, H., He, J., Pu, Z., Xiao, C., Liu, J., Pollock, C., Le, G., & Burch, J. L. (2020), Self-consistent Kinetic model of nested electron- and ion-scale magnetic cavities in space plasmas, Nature Communications, doi:10.1038/s41467-020-19442-0 

[2] Li, J.‐H., Zhou, X.‐Z., Yang, F., Artemyev, A. V., & Zong, Q.‐G. (2021). Helical Magnetic Cavities: Kinetic Model and Comparison with MMS Observations. Geophysical Research Letters, 48, e2021GL092383. https://doi.org/10.1029/2021GL092383

[3] Li, J.‐H., Zhou, X.‐Z., Zong, Q.‐G., Yang, F., Fu, S., Yao, S., Liu, J., & Shi, Q. (2021). On the origin of donut‐shaped electron distributions within magnetic cavities. Geophysical Research Letters, 48, e2020GL091613. https://doi.org/10.1029/2020GL091613