新研究揭示波粒互动如何产生地球空间的其他等离子体波

2022年04月10日 10:53 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

在最近发表在《Physical Review Letters》上的一项研究中,来自日本的研究人员表明,地球空间的高频等离子体波可以通过波粒相互作用加热低能离子而产生低频等离子体波,这揭示了无碰撞等离子体中一个新的能量传递途径。

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等离子体--一种以自由漫游的带电粒子通过电磁力相互作用为特征的物质状态--的一个突出特征是“等离子体波”的产生,它是由等离子体分布的不稳定性导致的。“快速磁声波(MSWs)”是地球空间的一种电磁等离子体波。MSWs由热质子产生,被认为是“高频波”。

另一种通常在地球空间产生的波是“电磁离子回旋波(EMIC)”,它被认为是一种"低频波"。最近,地球空间的卫星观测显示,MSWs和EMIC波经常一起出现。然而这种共同出现的机制仍不清楚。

现在,由日本名古屋大学的Yoshizumi Miyoshi教授领导的一个研究小组已经在某种程度上解开了这一机制。“众所周知,MSWs跟低能量质子的加热一起发生,另外研究表明MSWs可以加热这些‘冷’离子。最近Arase卫星的观测数据显示同时出现了EMIC波,我们想知道EMIC波的出现是否真的跟MSW介导的离子加热过程相耦合,”Miyoshi教授解释了这项研究的动机。

为此,研究小组对MSW和EMIC波--他们用Arase卫星观察到的--应用了一种波粒互动分析方法以检查它们之间通过离子加热的“交叉能量耦合”。得到的结果是有启发性的:他们发现,当MSWs将能量转移到“冷”质子上以加热它们时,质子转移的部分能量被用于激发EMIC波。考虑到MSWs反过来又被热质子激发,它们事实上充当了向EMIC波转移能量的中介,即热质子、冷质子、MSWs和EMIC波之间的交叉能量耦合。

虽然这些发现本身令人振奋,但Miyoshi教授解释了它们如何对我们关于地球空间的知识也有意义。“EMIC波在范艾伦辐射带中导致了‘杀手电子’的显著散射和损失,这往往会导致卫星故障。我们的研究中所揭示的刺激EMIC波的新的能量转移路线可能有助于改善空间天气预报,并使卫星在范艾伦辐射带中的运行变得更加安全。”

或许在地球空间的财富中有更多这样有趣的现象等待着我们人类去发现。

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