北京大学地球与空间科学学院周煦之、宗秋刚教授和博士研究生李京寰、杨帆等人组成的研究团队通过构建自洽的等离子体平衡态模型,对太空中观测到的嵌套型磁洞进行了动理学重构。该模型与观测结果高度一致,证实了磁洞作为稳定的抗磁结构,其磁场强度的下降源自于其束缚的等离子体。这一工作为理解太空中磁洞的形成及其在空间等离子体湍流过程中的作用提供了新的启示。相关成果以“Self-consistent kinetic model of nested electron- and ion-scale magnetic cavities in space plasmas(空间等离子体中嵌套电子-离子尺度磁洞的自洽动理学模型)”为题,发表于国际学术期刊Nature Communications(《自然-通讯》)。
图一:卫星观测(左)与平衡态磁洞模型(右)的对比
在宇宙空间中,绝大部分物质呈现等离子体态,即由等量的自由电子与带电正离子所组成的物质状态。它有别于固体、液体和气体,常被称为物质的第四种状态。在等离子体中,带电粒子之间的相互作用主要通过长程的库仑力进行,因此其行为与依靠碰撞等短程作用的气体分子行为不同,呈现出强烈的集体效应。同时,由于带电粒子的运动可形成电流并产生磁场,或通过电荷的局地集中产生电场,因此等离子体与电磁场环境之间存在着紧密的耦合关系。尽管等离子体的行为仍可在流体力学框架下被近似描述,但电磁场的出现极大丰富了等离子体中各种波动和湍流的性质。
近年的卫星观测显示,空间等离子体中存在着大量尺度不一(电子回旋半径或离子回旋半径尺度)的弱磁场区域,即所谓的磁洞结构。在磁洞中,磁场的下降一般是准对称的,它们被认为源于电子或离子涡旋所携带的环状电流,而这些涡旋的形成则与等离子体湍流过程密切相关。然而,由于卫星局地观测的限制,人们难以对这种结构的全貌进行分析,也因而一直没能在等离子体理论框架下建立起一套可与观测进行对比的自洽模型。研究团队从弗拉索夫-麦克斯韦方程组出发,并考虑了电子的绝热运动和等离子体的准中性条件,求解出磁洞的动理学平衡态模型。该模型与实验室等离子体中常见的角向箍缩结构具有相似的位形。模型自洽地给出了电磁场和等离子体的空间分布以及带电粒子的速度分布,且它们均与美国宇航局MMS卫星的观测极为接近(见图一)。图二则给出了这个嵌套型磁洞在质子回旋和电子回旋两个尺度下的磁场分布截面。
图二:磁洞在质子回旋(左)与电子回旋尺度(右)上的磁场分布
该论文两名共同第一作者为李京寰、杨帆,通讯作者为周煦之、宗秋刚。该文章的共同作者还包括地空学院何建森、濮祖荫教授,物理学院肖池阶教授,以及山东大学、中国国家空间科学中心、美国加州大学洛杉矶分校、加拿大阿尔伯塔大学等国内外多个机构的研究人员。该项工作获得了国家自然科学基金委的资助。
文章信息:
Li, J.-H., Yang, F., Zhou, X.-Z., Zong, Q.-G., Artemyev, A. V., Rankin, R., Shi, Q., Yao, S., Liu, H., He, J., Pu, Z., Xiao, C., Liu, J., Pollock, C., Le, G., and Burch, J. L., Self-consistent Kinetic model of nested electron- and ion-scale magnetic cavities in space plasmas, Nature Communications, doi:10.1038/s41467-020-19442-0, 2020.
删除或更新信息,请邮件至freekaoyan#163.com(#换成@)
地空学院周煦之与宗秋刚团队对太空中嵌套磁洞的观测与重构的研究成果发表于国际学术期刊《自然-通讯》
本站小编 Free考研考试/2021-12-20
相关话题/观测 电子 空间 卫星 结构
信息学院电子学系郭弘教授团队在基于原子磁力仪的无磁屏蔽人脑磁图测量系统的研制中取得重要进展
脑磁图测量系统以高灵敏度磁力仪为基础,通过记录由脑部自发电流产生的磁场,无创伤性地探测脑部电磁生理信号,被广泛应用于临床脑疾病诊断和脑部功能的开发研究,具有重要的临床医疗应用价值和基础科研价值。脑磁图系统通常利用基于超导效应的磁力仪对人脑微弱磁场信号进行测量。由于系统需要液氦超低温冷却及磁屏蔽室,造 ...北京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-12-20信息学院电子学系郭弘教授团队实现国际传输距离最远的相干态连续变量量子密钥分发
相干态连续变量量子密钥分发(Continuous-VariableQuantumKeyDistribution,简称CV-QKD)具有成码高、采用光通信通用器件实现、可与现有光通信业务共纤同传等突出优势,具有重要的实际应用价值。由于CV-QKD系统量子态本身非常微弱,长距离传输会进一步降低信号的功率 ...北京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-12-20信息学院电子学系郭弘教授团队在原子共磁力仪系统研制及自旋-引力耦合作用探测领域取得突破
共磁力仪以高灵敏度原子磁力仪为基础,通过对磁场的高精度调控,实现对角加速度、引力场以及新奇异物理场的高精度测量,具有重要的基础科研价值及实际应用价值。共磁力仪通常利用处于同一个原子气室中不同种类的原子来实现对磁场微小变化的共模感知和抑制。由于不同原子在空间上仍然存在一定的分离,磁场梯度会影响共磁力仪 ...北京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-12-20深研院新材料学院在知名期刊发表有关电池界面结构化学研究的教程类综述性文章
正极材料是提高锂离子电池能力密度和安全性能的关键。在大量被报道的锂离子电池正极材料中,橄榄石结构的磷酸铁锂(LiFePO4)、尖晶石结构的锰酸锂(LiMn2O4)和层状结构的过渡金属氧化物(LiMO2,M=Mn或/和Co或/和Ni)广泛应用在便携式电子设备、电动交通工具以及大规模储能等领域。这些产业 ...北京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-12-20生命科学学院李龙研究组解析酵母源线粒体内膜复合物TIM22的结构
2020年9月11日,北京大学生命科学学院李龙研究组与李晴研究组合作在CellResearch杂志发表了题为“StructureofthemitochondrialTIM22complexfromyeast”的研究论文。线粒体是能量产生的动力工厂,是许多细胞过程必不可少的,如脂类和氨基酸代谢、细胞信 ...北京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-12-20信息学院微纳电子学系黄如-杨玉超课题组在针对优化问题的忆阻暂态混沌神经网络研究中取得重要进展
为了提高效率、合理利用资源,人们无时无刻不在面对着各种优化问题,需要在特定条件约束下寻找最佳的解决方案。这些优化问题广泛存在于科学研究、工程与日常生活中,包括物流的运输、资源的调度、智慧工厂与工程设计等。然而,解决这些复杂优化问题往往需要消耗大量硬件和时间资源,并且容易陷入局部极小值。因此,开发微缩 ...北京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-12-20化学学院彭海琳课题组在高κ自然氧化物栅介质的二维电子学研究中取得重要突破
半导体硅是微电子工业的绝对主流材料,其自身氧化物二氧化硅同时兼具高度致密、均匀、绝缘的特性,在各种电子器件中发挥了重要的作用。然而,二氧化硅较低的介电常数限制了硅在先进制程工艺中的应用。为进一步延续摩尔定律,开发高迁移率新型超薄半导体沟道材料和高介电常数(ε>10)超薄高质量氧化物介电层,成为科学界 ...北京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-12-20生命科学学院高宁研究组报道人源核糖体大亚基前体复合物结构
2020年7月15日,北京大学生命科学学院高宁研究组在NatureCommunications杂志在线发表题为“Structuralsnapshotsofhumanpre-60Sribosomalparticlesbeforeandafternuclearexport”的研究论文,报道了人源核糖体大 ...北京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-12-20生命科学学院季雄课题组在RNA聚合酶与染色质三维结构研究中取得进展
基因转录与染色质三维结构关系的研究一直是分子生物学领域的研究热点和难点,也存在争论。一方面,以往在哺乳动物细胞发育和疾病模型中的研究表明,活跃转录的染色质区域通常具有较高频率的染色质互作(Zhengetal.,2019),而在果蝇细胞中,染色质高级结构甚至可以仅通过转录数据来模拟(Hugetal., ...北京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-12-20信息学院电子学系孙伟研究员课题组基于DNA模板的高性能碳纳米管晶体管研究取得重要进展
生物自组装结构具有精细的三维形貌,其关键结构参数小于光刻等传统纳米加工手段的分辨率极限。利用自组装生物分子作为加工模板,目前已实现金属材料、碳基材料、氧化物材料的可控形貌合成。然而,基于生物模板的电学器件的性能往往远落后于通过蚀刻或薄膜方法制备的同类器件,且缺乏长程取向规整性,因而制约了生物模板在高 ...北京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-12-20