秋毫之末有洞天——從電子迴旋運動說起
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作者：唐斌斌
中國科學院國家空間科學中心
空間天氣學國家重點實驗室
空間天氣在人類進入太空（空間）時代之後日益受到關注，它的變化也開始滲透到人們的日常生活之中。人們對空間天氣和其背後物理過程的探索從未停止過。
如同在地面天氣預報人們更關心影響天氣系統變化的大尺度結構（比如颱風，鋒面等等），在空間天氣中，人們同樣首先關注一些感興趣的大尺度過程（比如太陽爆發活動如何引起地球磁層的響應等）。但是「為山九仞，壘土而成」，正如在降雨過程中離不開每一滴小雨滴的凝結一樣——雖然水滴的凝結不一定與降雨有關，在空間中那些小尺度物理過程同樣也是空間天氣變化的基本組成。
在這裡，我們從電子的迴旋運動開始，看看其背後是否也別有洞天。
圖1 電子在均勻磁場中的迴旋運動（圖片源自網路）
我們知道，均勻磁場中的電子在洛倫茲力作用下會做圓周運動（圖1）。在空間等離子體中，同樣充斥著大量電子，它們也會因洛倫茲力而傾向作迴旋運動。同時，可以想見這些電子在任意方向的速度不會趨於無窮大，所以大多數電子迴旋運動的速度都會比較低。圖2a即展示了一個理想狀態下電子迴旋速度分布的示意圖，從上俯瞰它與實際觀測中的電子分布（圖2b）非常類似。這些分布具有圓對稱特徵（circular symmetry），也就是說沿著中心對稱軸旋轉任意角度圖形本身不變。由於這種對稱與帶電粒子繞磁場的迴旋運動比較相近，因此我們也把這類電子分布叫做迴旋各向同性電子分布（gyrotropic electron distribution）。
圖2 理論預期和實際觀測中電子分布
於是問題三連來了：這種電子迴旋各向同性的分布希么時候能被打破呢？我們怎麼才能夠觀測到非迴旋各向同性（也叫做迴旋各向異性）的電子分布？迴旋各向異性的電子分布有什麼作用嗎？
圖3 如果電子初始只位於紅色邊界下方，當其做迴旋運動跨越紅色邊界後只有向右的速度分量，從而在紅色邊界上方形成迴旋各向異性分布
對於第一個問題，答案其實並不複雜，只要破壞電子迴旋運動的對稱性就可以了。圖3示例了一個這樣的情形：如果電子的密度在一個足夠薄的邊界兩側顯著不同，就能自然形成迴旋各項異性分布。事實上，人們在觀測中已經展示了各種適宜形成電子迴旋各向異性分布的條件，比如磁場的快速變化、電場的加速效應等等。
如果注意到電子穿透邊界的距離與電子自身的迴旋半徑（也就是電子的能量）緊密相關，這樣就存在一個類似「麥克斯韋妖」的自動過濾機制，只會讓較高能量的電子通過而形成迴旋各向異性分布。值得注意的是，一個厚度與特徵電子迴旋半徑相當的邊界通常會比較重要，否則的話，電子的迴旋效應將不會有明顯體現。
圖4 MMS衛星編隊（衛星本體大小不超過4米
）在茫茫太空中的身姿 （圖片來自NASA）
因此，在空間等離子體觀測中得到迴旋各向異性電子分布的首要條件，就是分隔不同電子源的電子尺度邊界。地球磁層的典型尺度為數十個地球半徑（1地球半徑≈ 6400 千米），而磁層頂附近電子的特徵迴旋半徑為千米量級，這裡面巨大的數量級差異使得以往的空間探測衛星幾乎無法捕捉和分辨這麼細小的結構。
近年來，美國航空航天局（NASA）執行了磁層多尺度MMS衛星項目，將電子測量的解析度提高了約兩個數量級（圖4）。受益於這些突破性的衛星觀測能力，人類歷史上首次可以對空間等離子體電子尺度過程進行系統研究，這其中就包括迴旋各向異性電子分布的大量成果（圖5），從圖中可以看出它們和圖2的巨大差別。
起初，人們認為這些迴旋各向異性電子分布最有可能存在於磁場重聯的電子擴散區或其附近區域，並將其作為衡量磁場重聯的電子擴散區或其附近區域的一個重要特徵，但後來人們在非重聯區域發現只要條件適合也會有迴旋各項異性的電子分布。這也證明了迴旋各項異性的電子分布存在的廣泛性。
圖5 在不同事件中，研究者們發現的迴旋各項異性的電子分布。可以看出，它們和圖2的巨大差別。
那麼，研究迴旋各向異性的電子分布有什麼意義嗎？除了滿足人們的好奇心之外，人們還發現迴旋各向異性電子同中心低能電子之間通常存在一個凹陷，這使得整個電子分布偏離平衡態的麥克斯韋分布。
這種電子分布是不穩定的，它能激發相應等離子波動，而後通過波粒相互作用消除這個「凹陷」，使得整個電子分布趨於平衡態。這個過程會伴隨著電子的加速加熱和擴散現象，這為電子跨磁力線甚至磁層頂輸運提供了便利。此外，等離子體波還能通過波模轉換變為射電輻射。而先前我們指出的迴旋各項異性的電子分布存在的廣泛性，為這些物理過程增添了更多有效性。
簡而言之，與巨大的地球磁層相比，這些千米量級上的物理過程似乎顯得微不足道。但這些空間中秋毫之處的等離子體變化和相關波動，如同水面的漣漪一樣從不停歇；它們也好像星星之火，只待條件適合便能成為以燎原之勢擾動空間天氣的第一張多米諾骨牌。
更多信息請參閱《空間中心科研人員在磁層頂迴旋各向異性電子分布函數研究取得進展》
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