宇宙空間存在着多種不同尺度的物理行為，從由電子回旋運動（千米）和離子回旋運動（千米）表征的微觀尺度，一直延伸到與行星大小相當的宏觀尺度（千米），跨越超過8個數量級。這些不同尺度的物理過程如何耦合？能量如何在它們之間輸運？

        為了回答這些問題，beat365官方网站宗秋剛教授帶領的研究團隊近日以“Simultaneous Macroscale and Microscale Wave-ion Interaction in near Earth Space Plasmas”為題在國際學術期刊《自然·通訊》（Nature Communication，IF: 17.69）上發文，提出在空間和天體等離子體中，跨尺度波動-粒子相互作用可導緻能量從宏觀尺度到微觀尺度的快速輸運。這一新發現的機制有助于解釋空間和天體系統中的能量耗散問題以及等離子體的加熱加速問題。

        等離子體充斥着整個宇宙，構成了各種各樣的天體和空間系統，例如行星磁層，太陽日冕，太陽風和日球層以及星際介質。對于理解這些等離子體系統的曆史和演化，一個重要的問題是宏觀的，定向運動的能量如何轉化成微觀的，随機運動的能量。由于空間和天體等離子體的密度一般非常的低，在通常情況下起主導作用的熱碰撞難以發生。例如，在太陽系中，一個從太陽運動到地球的帶電粒子隻會經曆約一次碰撞。因為，在各種空間和天體系統中，從宏觀向微觀的能量轉換一般通過電磁相互作用來完成。作為一種長程相互作用，電磁相互作用可以在很長的距離上起作用，因此可以把分布稀疏的帶電粒子聯系起來。

        對于一個具體的空間和天體等離子體系統而言，電磁相互作用又有多種不同的形式，從而可以以多種不同的方式介導能量的跨尺度輸運。目前主流的跨尺度能量傳輸機制是湍流串級模型，其認為能量是通過一系列相近的尺度逐漸從宏觀尺度輸運到微觀尺度。為了更好地理解各種空間和天體系統中的能量過程，尋找湍流串級之外的跨尺度能量傳輸機制是當前空間物理和天體物理領域的研究熱點之一。

        近期，宗秋剛教授團隊通過分析觀測資料證實跨尺度波動-粒子相互作用—即帶電粒子同時和不同尺度的等離子體波動相互作用—是一種可能的跨尺度能量輸運機制。類似于大氣中充斥着聲波，空間和天體等離子體中也充斥着各種等離子體波動。但是由于構成等離子體的組分（通常為質子和電子）的質量相差懸殊，等離子體波動具有多種不同的時間和空間尺度。最粗略地，等離子體波動可以根據尺度劃分為三大類：流體尺度波動，離子尺度波動和電子尺度波動。其中前一種波動又被稱為宏觀尺度波動，而後兩種被統稱為微觀尺度波動。不同尺度的等離子體波動會以不同的方式和帶電粒子相互作用。例如，地球磁層中的超低頻波動是一種典型的宏觀尺度波動（千米），它可以通過漂移-彈跳共振加速帶電粒子，從而産生會危害航天器和宇航員安全的殺手電子等。而電磁離子回旋波則是一種典型的微觀尺度波動（千米），其常通過回旋共振和帶電粒子相互作用，這種作用的結果之一就是導緻空間中的帶電粒子沉降到地球大氣中，這些沉降粒子還可以通過後續的過程産生極光等現象。但無論具體的作用方式，波動-粒子相互作用都可導緻電磁場和帶電粒子間的能量交換。

        在研究中，宗秋剛教授團隊通過詳細分析美國NASA的Magnetospheric Multiscale任務獲得的數據，發現空間中的離子可以同時和宏觀尺度的超低頻波、微觀尺度的電磁離子回旋波相互作用（如圖1和圖2所示）。通過這一相互作用，能量首先從超低頻波先傳遞到離子，然後從離子傳遞到電磁離子回旋波，最後通過電磁離子回旋波-離子回旋共振而耗散（見圖3）。與傳統湍流串級模型不同，在這一跨尺度波動-粒子相互作用中，能量可以直接從宏觀尺度傳遞到微觀尺度，無需經過中間尺度的介導。對觀測數據的定量分析表明，跨尺度波動-粒子相互作用的時間尺度約為1分鐘，遠小于各種空間和天體能量過程的時間尺度，證明其是一種有效的跨尺度輸運能量的機制（見圖1）。

        除了介導能量的跨尺度輸運，研究還發現跨尺度波動-粒子相互作用可導緻不同尺度的動态過程相互耦合，以及空間等離子體加熱和加速。這些發現為進一步理解極光、地磁脈動以及空間高能粒子的産生提供了新的思路。

        beat365官方网站空間物理與應用技術研究所博士研究生劉志揚為本論文的第一作者，宗秋剛教授為文章的通訊作者。這項工作得到了國家重點研發計劃“變革性技術關鍵科學問題”重點專項、民用航天技術預先研究項目、國家自然科學基金委的經費支持。

圖1：跨尺度波動-粒子相互作用導緻能量直接從宏觀尺度傳輸到微觀尺度。

圖2：離子與宏觀尺度的超低頻波（ULF wave）和微觀尺度的電磁離子回旋波（EMIC wave）之間的跨尺度相互作用。這一相互作用導緻能量直接從宏觀尺度輸運到微觀尺度。此圖為Magnetospheric Multiscale衛星地球磁層的觀測。

圖3：由于電磁離子回旋波（EMIC）-離子之間的回旋共振導緻的離子相位捕獲（上圖）以及能量變化（下圖）。

參考文獻：

Liu, ZY., Zong, QG., Rankin, R. et al. Simultaneous macroscale and microscale wave–ion interaction in near-earth space plasmas. Nat Commun 13, 5593 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-33298-6