宇宙中99%的物質都是等離子體，它們構成了行星磁層、太陽日冕、太陽風和星際介質等空間和天體系統。這些等離子體的密度通常都非常低，因此在一般情況下對能量傳輸與轉移起主導作用的熱碰撞難以發生。例如，在太陽系中，帶電粒子在從太陽傳播到地球的過程中隻會經曆一次碰撞。因此，在宇宙中等離子體中能量的傳輸與轉移主要通過電磁力來進行。電磁力是一種長程相互作用，所以它能将分散的帶電粒子聯系起來。這一特性使得在宇宙等離子體中充滿了高度活躍的靜電和電磁波動，統稱為等離子體波動。

在太空物理研究中，一種被稱作動理學阿爾芬波（kinetic Alfven waves）的波受到了極大的關注。這一波動可以視為宏觀流體尺度（>10⁷千米）的阿爾芬波向微觀離子尺度（~10¹千米）的拓展。動理學阿爾芬波最為突出的特點是其頻率接近離子回旋頻率，且垂直波長接近離子回旋半徑。這些特性使得它能夠有效地參與各種微觀離子尺度的動力學過程，因而在宇宙等離子體加速和加熱中起到顯著的作用。例如，動理學阿爾芬波可以将大量能量輸送到極區電離層。這些能量一方面可以加速沉降電子，從而導緻極光。另一方面，這些能量還可以加熱和加速電離層中的離子和電子，引發電離層出流和大氣逃逸。動理學阿爾芬波廣泛存在于地球磁層中，并被認為可以顯著加速磁層能量粒子并引發地磁活動，對在軌航天器的安全構成威脅。

動理學阿爾芬波的另外一個作用是其可以介導能量從宏觀尺度向微觀尺度的傳遞，并導緻能量在微觀尺度上的耗散。除密度很低之外，宇宙等離子體還具有構成粒子質量相差很大的特征。例如，地球磁層等離子體主要由質子和電子組成，它們的質量相差大約1836倍。這種差異導緻等離子體波動的時間和空間尺度也相差巨大。例如，在地球磁層中，等離子體波動的頻率可從mHz延伸到kHz，跨越了6個數量級。我們可以粗略地将等離子體動力學所涉及的物理尺度從大到小分為三個範圍：

(1)流體尺度，在這一尺度下，等離子體表現出像連續流體介質一樣的特征;

(2)離子尺度，在這一尺度下，等離子體中的離子表現出強烈的粒子行為（即需要考慮速度分布函數等微觀參數，而不能僅考慮像密度、速度、壓強這樣的宏觀參數），而電子則可以按照連續流體介質處理;

(3)電子尺度，這一尺度下，電子和離子都表現出強烈的粒子行為。

離子尺度和電子尺度的分界可以用離子在磁場中做回旋運動的頻率和半徑來表示，而流體尺度和離子尺度的分界可以用電子回旋運動的頻率和半徑來表示。進一步地，流體尺度可視為宏觀尺度，而離子尺度和電子尺度則對應于微觀尺度。

不同物理尺度的等離子體波動并不是孤立的，而會發生各種相互作用，并使得能量從宏觀尺度傳遞到微觀尺度并耗散為等離子體熱能。正是這一過程使得等離子體可以在沒有熱碰撞參與的情況下發生熱弛豫，維持平衡态。研究等離子體波動在等離子體能量跨尺度輸運中的作用，以及由此導緻的空間和天體等離子體物理過程，是目前空間物理和天體物理研究的前沿熱點課題之一。而其中一個特别的關注點即是動理學阿爾芬波。

盡管人們已經認識到動理學阿爾芬波的重要性并因此進行了大量的理論和數值模拟研究，但在利用衛星對其進行實地觀測研究方面卻進展緩慢。其中的主要困難之一是難以在觀測數據中将動理學阿爾芬波和其他等離子體波模區分開。正如前文所述，動理學阿爾芬波的主要特點是其垂直波長接近當地熱離子的回旋半徑。因此，一個自然而然的識别動理學阿爾芬波的方法即是測算觀測到的波動的波長，并将其與熱離子的回旋半徑相比較。但對波長的觀測在本質上屬于對空間結構的觀測，需要對空間中多個位置進行測量。這在實際中是難以做到的，因為除了少數幾個特别設計的科學衛星任務（例如Magnetospheric Multiscale和Cluster任務），很難有機會在一個事件中同時有多顆衛星在場。而且即使有多顆衛星在場，我們也隻能測量波長接近衛星間距的波動，否則誤差将顯著地影響測量結果。為了解決這一問題，也有研究者提出了一些基于單衛星探測的方法。但這些方法大都需要對等離子體的整個分布函數進行測量。受制于現有技術的限制，這也是難以實現的。

為了解決這個問題，在國家自然科學基金項目資助下，beat365官方网站的宗秋剛教授帶領研究團隊最近提出了一種新的測量波動垂直波長的方法，并将其成功應用于MMS衛星觀測到的動理學阿爾芬波事件。相關成果發表在著名學術期刊《自然·通訊》（Nature Communications）上。論文題為“Particle-sounding of the spatial structure of kinetic Alfvén waves”。論文鍊接：nature.com/articles/s41467-023-37881-3.pdf

如圖1所示，該方法的原理是利用不同能量的離子具有不同的回旋半徑，從而形成了一種測量波動垂直波長的“尺子”。基于這一原理，該方法被稱為粒子探測技術（particle-sounding technique）。

更具體地說，波動垂直波長和離子回旋半徑之比将顯著影響離子和波動之間的相互作用。當離子能量較低時，其回旋半徑遠小于波動的垂直波長。在這種情況下，離子會與波動電磁場發生顯著的相互作用，從而在回旋相位譜上形成與波動波場相關的連續傾斜條紋（見圖2第二欄）。随着離子能量的升高，其回旋半徑相應地變大。當回旋半徑變得與波動垂直波長相當時，離子的運動呈現出一定的混沌性，使得波場對離子的調制作用被“抹平”。換言之，離子不再受到波動的影響。觀測中相應的調制信号消失，即回旋相位譜上的條紋斷裂（見圖2最後兩欄）。因此，我們可以通過尋找出現條紋斷裂的離子能量，并計算相應的回旋半徑，來測量波動的垂直波長。

更進一步，上述回旋相位譜上的調制條紋斷裂信号将首先在和波動運動方向相反的方向上出現。這是因為當離子和波動在垂直于背景磁場的平面内相向運動時，波動和離子之間的相對運動速度最大。因此，根據這一特點，我們可以确定波動垂直傳播的方向。

粒子探測技術的可靠性通過和其它測量方法進行對比得到了驗證。此外，與其它方法的對比還體現出了粒子探測技術的優越性。首先，它隻需要利用單顆衛星的觀測。其次，它隻需要觀測部分能量範圍内（常為100 eV-10 keV）的離子分布函數，而不像其它基于單衛星觀測的方法那樣需要對電子和離子的整個分布函數進行測量。最後，它具有較大的量程，可同時測量10-1000 km範圍内的垂直波長，覆蓋了通常所需的參數空間。

将這一方法初步應用于MMS衛星的探測數據，宗秋剛教授團隊識别出了15個動理學阿爾芬波事件，并計算了這些波動的垂直波長。具體分析表明，這些動理學阿爾芬波的垂直波長和基于局地離子溫度計算得到的回旋半徑具有較好的相關性。如圖3所示，前者約為後者的2.4倍。這一結果從觀測上證明了動理學阿爾芬波的離子尺度特性，并表明了粒子探測技術對動理學阿爾芬波研究的重要意義。

beat365官方网站空間物理與應用技術研究所博士生劉志揚為文章的第一作者，宗秋剛教授為文章的通訊作者。這項工作得到了國家自然科學基金委的經費和國家重點研發計劃“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的支持。