磁洞是一种空间等离子体中广泛存在的等离子体结构，这种各向异性的非线性准稳态结构通常被认为是由等离子体动理学镜像模不稳定性（mirror-mode instability）产生的，呈现出密度与磁场强度扰动反相关的特性。磁洞在空间尺度上可跨越多个数量级，最大可至数十个离子回旋半径，最小可达数个电子回旋半径。由于磁场强度的空间分布不均匀性，磁洞结构能有效地捕获带电粒子，进而产生了丰富的粒子动力学演化和波动现象，如哨声波和静电波等。然而，其中复杂的波粒相互作用过程仍存在许多问题，如高频哨声波的局地激发和非线性演化等。前人的相关研究主要聚焦于磁洞内部波动的识别与基本物理参数的统计，却很少深入探讨其中波动如何激发以及能量如何传输与演化的问题。作为一种普遍存在的等离子体结构，磁洞内部的波粒相互作用过程和电子分布函数时间演化是理解空间等离子体湍流能量耗散过程的良好窗口。
近日，中国科学院国家空间科学中心空间天气学国家重点实验室王赤院士团队的蒋文策博士后和李晖研究员，与英国伦敦大学学院Daniel Verscharen教授、Christopher Owen教授以及美国亚利桑那大学Kristopher G. Klein教授展开了系列合作研究。相关研究成果在本领域国际学术期刊The Astrophysical Journal上发表。
基于MMS卫星提供的高时间分辨率的电子分布函数观测数据，研究团队详细分析了一例地球磁鞘中的磁洞哨声波激发事例，利用理论模型首次揭示了电子-哨声波相互作用过程中能量传输的相空间特征。结合研究团队开发的二维准线性波粒相互作用理论模型与高分辨率的MMS卫星观测数据，研究结果表明该磁洞结构沿着主轴向收缩运动导致产生的电子双向束流主要通过回旋共振完成了电子动能向哨声波电磁场能量的转换。定量的研究结果还揭示了部分相空间内的电子还可以通过朗道共振对哨声波激发有着少量贡献。该研究详细阐述了相空间内不同区域内电子能量变化与哨声波的激发/阻尼物理过程的关系，并为未来利用更高分辨率的分布函数卫星观测数据对波粒相互作用过程能量转换的直接实验测量提供了指导。
文章链接：Jiang, W. et al. Velocity-space Signatures of Resonant Energy Transfer between Whistler Waves and Electrons in the Earth’s Magnetosheath. ApJ 960, 30 (2024). (https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ad0df8)
图一 以MMS观测的哨声波参数为输入，电子分布函数的准线性扩散路径。（a）三种波粒共振机制作用的范围。（b）三种共振机制下的电子扩散路径，背景颜色表示的是电子分布函数
图二 电子分布函数在哨声波的共振相互作用下的时间演化。（a）电子-哨声波共振相互作用下的相空间能量转换特征。（b）共振能量转换率随电子垂直于背景磁场方向速度的分布。（c）共振能量转换率随电子平行于背景磁场方向速度的分布。（d）电子动能随时间的演化（详细细节见文章 ）
图三 （a）电子温度各向异性和平行beta值随时间的演化。（b）200eV和300eV电子的投掷角分布随时间的演化，实线表示的是初态，虚线表示的是t| e|=30的末态
（供稿：天气室）
