我国学者与海外合作者在空间等离子体共振耦合研究方面取得进展

　　

图 MMS卫星在前兆激波区域观测到的斜传哨声波及其对应的离子观测特征

（a）垂直平面波动磁场大小；（b）平行方向波动电场大小；（c）离子平行速度谱；
（d-e）不同能量离子的回旋相位谱

　　在国家自然科学基金项目（批准号：42174184）资助下，北京大学周煦之研究员团队与国内外合作者在空间等离子体波-粒共振及耦合过程研究方面取得进展。研究成果以“空间等离子体中朗道共振与异常共振耦合过程的识别（Identification of coupled Landau and anomalous resonances in space plasmas）”为题，于2024年7月16日发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters），论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.035201。

　　太空是一个近乎无碰撞的等离子体环境，能量的传输与耗散主要依赖于等离子体波动与带电粒子之间的相互作用。其中，波-粒共振是关键机制，即波-粒共振情况下，带电粒子可产生近似恒定的电场，波动与粒子之间发生高效能量传输。在波-粒共振过程中，不同的波动能量强度导致带电粒子产生不同的相空间分布，进而呈现出不同的共振物理图像。如何甄别波-粒共振物理图像一直是空间物理学研究的前沿热点。

　　针对上述问题，研究团队利用磁层多尺度（MMS）卫星高时空分辨率的电磁场与粒子观测数据，基于非线性共振理论甄别出了波-粒朗道共振及异常共振的典型诊断特征。朗道共振时，粒子的速度分布表现为图c中平行速度谱中的相空间环；异常共振时，粒子的相空间分布呈现图d-e中回旋相位谱中的聚束条纹。此外，研究团队通过粒子数值模拟重现了这两种共振的观测特征，并通过分析粒子运动轨迹证实了上述共振过程，进一步发现两种共振机制所对应的共振岛会在速度相空间中发生重叠，即共振离子可同时受到周期不同的两个振荡系统的影响，从而导致混沌运动的出现。

　　该研究深入分析了空间等离子体波-粒共振耦合过程，为进一步理解波-粒相互作用、能量传输、粒子输运以及混沌动力学过程提供了崭新的视角和方向。