近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院和深空探測(cè)實(shí)驗(yàn)室陸全明教授和王榮生教授團(tuán)隊(duì)在湍流相干結(jié)構(gòu)及能量耗散研究方向取得重要進(jìn)展。結(jié)合衛(wèi)星原位探測(cè)和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬結(jié)果，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)地球弓激波下游湍流等離子體中小尺度電流片相干結(jié)構(gòu)起源于上游波動(dòng)，電流片中發(fā)生的磁場(chǎng)重聯(lián)可有效地耗散磁能。研究成果以“Origin of reconnecting current sheets in shocked turbulent plasma”為題，于8月14日發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《Science Advances》上，并被期刊網(wǎng)站首頁以“How current sheets form in turbulent plasmas”作為featured image加以推介。
等離子體湍流中相干電流結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制和磁能最終耗散的機(jī)制等問題一直是研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。磁場(chǎng)重聯(lián)是等離子體中一種基本的物理過程。它提供了一種將磁能快速轉(zhuǎn)化為等離子體動(dòng)能和熱能的有效機(jī)制。早期研究發(fā)現(xiàn)，湍流等離子體中會(huì)形成大量小尺度電流片結(jié)構(gòu)，進(jìn)而觸發(fā)磁場(chǎng)重聯(lián)。這些電流片在湍流能量耗散以及等離子體加熱加速中發(fā)揮著重要作用。但是，湍流環(huán)境中電流片的起源一直是一個(gè)懸而未決的問題。
高速太陽風(fēng)與地球磁層相互作用，在地球向陽側(cè)形成弓激波。弓激波下游的磁鞘區(qū)域是最典型的湍流環(huán)境之一，是研究湍流耗散的天然實(shí)驗(yàn)室。分析衛(wèi)星先后穿越弓激波上下游的原位探測(cè)數(shù)據(jù)，該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)弓激波上游波動(dòng)穿越弓激波進(jìn)入其下游的過程中，波動(dòng)振幅被逐漸增強(qiáng)、從而形成激波下游的相干電流片結(jié)構(gòu)（圖1）。磁場(chǎng)重聯(lián)在電流片中被直接觸發(fā)，磁能被快速地耗散、轉(zhuǎn)化為等離子體動(dòng)能和熱能。
圖1：激波上游波動(dòng)演化的衛(wèi)星觀測(cè)結(jié)果。從上到下分別為離子能譜、磁場(chǎng)強(qiáng)度、GSE坐標(biāo)系中磁場(chǎng)三分量、離子數(shù)密度和離子速度矢量。
進(jìn)一步采用混合模擬方法，研究團(tuán)隊(duì)重現(xiàn)了激波上游波動(dòng)由產(chǎn)生到演化為電流片的完整過程。上游波動(dòng)是由離子共振不穩(wěn)定性激發(fā)的快磁聲波，快磁聲波在向下游傳播過程中，不斷被壓縮放大，轉(zhuǎn)化為下游磁鞘中的電流片。磁場(chǎng)重聯(lián)在電流片中被頻繁地觸發(fā)（圖2）。衛(wèi)星觀測(cè)結(jié)果與計(jì)算機(jī)混合模擬結(jié)果展現(xiàn)出極佳的一致性，為湍流中相干電流片結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制和能量耗散提供了充分的證據(jù)。該研究成果可推廣到其他天體和實(shí)驗(yàn)室等離子體環(huán)境中的激波下游湍流中。
圖2：混合模擬中自發(fā)形成的磁鞘重聯(lián)電流片。
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)王詩謀博士和盧三教授為該論文的共同第一作者，陸全明教授和王榮生教授為論文的共同通訊作者。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院、中央高校基礎(chǔ)研究基金和中國(guó)博士后科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado4639
（地球和空間科學(xué)學(xué)院、深空探測(cè)實(shí)驗(yàn)室）
