近日，《地球物理研究杂志：空间物理学》（Journal of Geophysical Research：Space Physics）第124卷第3期以封面文章的形式刊登了北京大学地球与空间科学学院宗秋刚课题组题为“Global-Scale ULF Waves Associated With SSC Accelerate Magnetospheric Ultrarelativistic Electrons”的研究成果。
地球辐射带中被地磁场束缚的超相对论电子（其动能大于2兆电子伏）可以击穿空间飞行器的屏蔽层导致飞行器功能损坏乃至彻底失效，严重地威胁着航天器和宇航员的安全。而自1958年辐射带被发现以来，其中的电子如何被快速加速至超相对论能量段，一直位居空间科学界有待解决的几大基本问题之一：磁层中的甚低频（VLF）波动被认为与辐射带粒子的加速密切相关，而其对粒子的加速较为缓慢，往往需要数天乃至数十天的时间，而实际观测中，辐射带超相对论电子通量经常在一天乃至一小时内发生1-2个数量级的跃升，这是甚低频波加速机制所不能解释的。
宗秋刚课题组在以往工作中系统地发展了磁层超低频（ULF）波动与粒子的漂移共振理论，定量揭示了磁层超低频波-粒相互作用中极向模（poloidal mode）长期被忽视的重要性，给出了超低频波调制粒子通量信号的观测特征与波场时间演化、空间分布特征的对应关系，为诊断超低频波与粒子的共振相互作用提供了系统方法。
在本研究中，研究人员关注了2017年7月14日耀斑爆发伴随日冕物质抛射所驱动的地球辐射带中超相对论电子增强事件，观测到当日冕物质前端的行星际激波撞击磁层顶时，辐射带超相对论电子通量在半小时内突增至事件前的数十倍水平，并伴随着显著的超低频波段的通量准周期波动（图1）。学界以往多将这种与粒子漂移周期接近的周期性信号视为单纯的漂移回声（drift echoes），而忽视了其中的波-粒相互作用过程。宗秋刚课题组则在其发展的“推广漂移共振理论（generalized drift resonance theory）”的基础上，从波粒相位关系、电子能谱演化的角度证明了其中全球尺度的超低频波动对3.4兆电子伏的漂移共振加速。并通过数值模拟，同时复现了观测中超低频波对共振能段和非共振能段电子的调制信号，进一步确证了激波驱动的超低频波对辐射带电子快速加速的贡献。
这一研究首次取得了辐射带超相对论电子参与漂移共振的直接证据，同时打破了以往观测中地球磁层波-粒漂移共振能量的记录上限，对辐射带超相对论电子在激波过境后的快速加速之谜提供了有力解答，也为理解其他类地行星辐射带的动态过程提供了新的线索。
北京大学地球与空间科学学院宗秋刚教授为本文通讯作者，博士研究生郝以鑫为第一作者，地空学院周煦之研究员、傅绥燕教授、博士研究生陈兴燃、刘鹰、阿尔伯塔大学Robert Rankin教授、及范艾伦探测计划各仪器责任科学家Daniel Baker、Harlan Spence、Bernard Blake、Geoff Reeves教授及Seth Claudepierre博士为本文合作作者。该项研究工作主要获国家自然科学基金创新研究群体项目（41421003）及重点项目（2012CB825603）资助。
图1：辐射带超相对论电子突增事件及超低频波调制粒子通量信号观测
图2：JGR: Space Physics 124卷第3期以封面形式展示超低频波调制共振能段和非共振能段电子通量的特征特征
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