近日，中國科學技術大學地球和空間科學學院和深空探測實驗室陸全明教授和王榮生教授團隊在湍流相干結構及能量耗散研究方向取得重要進展。結合衛星原位探測和計算機數值模擬結果，該團隊發現地球弓激波下游湍流等離子體中小尺度電流片相干結構起源于上游波動，電流片中發生的磁場重聯可有效地耗散磁能。研究成果以“Origin of reconnecting current sheets in shocked turbulent plasma”為題，于8月14日發表在國際學術期刊《Science Advances》上，并被期刊網站首頁以“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構的形成機制和磁能最終耗散的機制等問題一直是研究熱點和難點。磁場重聯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化為等離子體動能和熱能的有效機制。早期研究發現，湍流等離子體中會形成大量小尺度電流片結構，進而觸發磁場重聯。這些電流片在湍流能量耗散以及等離子體加熱加速中發揮著重要作用。但是，湍流環境中電流片的起源一直是一個懸而未決的問題。
高速太陽風與地球磁層相互作用，在地球向陽側形成弓激波。弓激波下游的磁鞘區域是最典型的湍流環境之一，是研究湍流耗散的天然實驗室。分析衛星先后穿越弓激波上下游的原位探測數據，該研究團隊發現弓激波上游波動穿越弓激波進入其下游的過程中，波動振幅被逐漸增強、從而形成激波下游的相干電流片結構（圖1）。磁場重聯在電流片中被直接觸發，磁能被快速地耗散、轉化為等離子體動能和熱能。
圖1：激波上游波動演化的衛星觀測結果。從上到下分別為離子能譜、磁場強度、GSE坐標系中磁場三分量、離子數密度和離子速度矢量。
進一步采用混合模擬方法，研究團隊重現了激波上游波動由產生到演化為電流片的完整過程。上游波動是由離子共振不穩定性激發的快磁聲波，快磁聲波在向下游傳播過程中，不斷被壓縮放大，轉化為下游磁鞘中的電流片。磁場重聯在電流片中被頻繁地觸發（圖2）。衛星觀測結果與計算機混合模擬結果展現出極佳的一致性，為湍流中相干電流片結構的形成機制和能量耗散提供了充分的證據。該研究成果可推廣到其他天體和實驗室等離子體環境中的激波下游湍流中。
圖2：混合模擬中自發形成的磁鞘重聯電流片。
中國科學技術大學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。該研究得到了國家自然科學基金委、中國科學院、中央高校基礎研究基金和中國博士后科學基金等項目的支持。
論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado4639
（地球和空間科學學院、深空探測實驗室）
