无碰撞激波是空间物理和天体物理中高能粒子加速的重要源区。地球等行星弓激波下游（即磁鞘）形成的跨尺度瞬态结构，以及与之相关的能量转化和粒子加速机制，是空间等离子体物理研究中的一个基本物理问题。鞘区高速流（High speed jet）是地球等行星弓激波下游常见的瞬态结构，它们通常表现出高于背景磁鞘的动压。其动压可接近上游太阳风动压值，并压缩前沿磁鞘背景等离子体而驱动弓形波。他们携带的大量能量与动量能够通过压缩磁层顶，而引发多种对地效应，从而影响太阳风-磁层-电离层耦合系统中的能量传输、转化与耗散过程。鞘区磁场重联（Magnetic reconnection）通过改变磁场拓扑结构，将电磁场能量传递给粒子，其触发依赖于压缩产生的薄电流片。以往的卫星观测已提供大量激波下游磁鞘重联的原位证据，并证明它们能够在湍流区域的能量耗散和再分配中发挥作用；同时在磁鞘尤其是准平行激波下游也观测到了大量的高速流瞬态结构。然而，上述两种频发于磁鞘的物理现象之间是否存在因果关系，目前尚无定论。
    中国科学院国家空间科学中心太阳活动与空间天气重点实验室王赤院士团队的博士生欧阳婉欣（第一作者）、杨忠炜研究员、唐斌斌研究员等人，利用磁层多尺度（MMS）卫星的观测数据，分析了2015年12月24日地球磁鞘中的一个高速流事件。如图1所示，在高速流前缘，产生了一个弓形波（Bow wave），其内部离子速度超过了局部快波速度，并且密度和磁场均显著增强，表明该结构内部正在发生强烈的压缩。在弓形波的压缩足区内嵌入了一个厚度约2.2个离子惯性长度的电流片。观测显示（如图2），该电流片展现出若干与离子耦合磁场重联相关的特征，包括超阿尔芬速的离子流和双向不对称的电子流、Hall磁场信号、焦耳加热 ，以及磁拓扑结构和电子速度分布函数的快速变化。这些结果表明，高速流驱动的压缩作用不仅能够产生弓形波，还可能通过挤压局部弯曲磁力线、孕育薄电流片激发磁鞘磁场重联。该研究提出了磁鞘高速流挤压电流片触发磁场重联和粒子加速的全新物理图像（如图3），为理解行星磁鞘及太阳风中的能量耗散过程提供了新视角。

图1：MMS1观测到的高速流驱动弓形波的高分辨率测量结果。 （a）磁场，（b）–（c）离子和电子整体流速，（d）离子和电子数密度，（e）离子温度，（f）离子动压，以及（g）–（h）离子和电子能通量谱。高速流以黄色阴影高亮标记，弓形波（区域I）以青色阴影高亮标记，电流片（区域II）由弓形波足区处的两条黑色虚线标定其边界。

图2：高速流驱动压缩电流片的放大视图。 （a）离子和电子数密度，（b）离子动压，（c）总压，（d）磁场，（e）电子整体流速，（f）离子整体流速（已扣除背景流速），（g）电流密度（采用旋度计方法计算），（h）电流密度（采用FPI测量数据计算），（i）J·（E+Ve x B），（j）电子温度，以及（k）电子投掷角分布（250–550 eV）。子图（l）展示电流片中的平行电场。电流片中心由蓝色虚线标记。子图（f）中的箭头指示了电子平行温度的两个峰值。

图3：磁鞘高速流挤压电流片触发磁场重联和粒子加速示意图。（a）总览事件发生的位置。（b）磁鞘高速流驱动的弓形波，及其前端压缩电流片发生的磁场重联（c）。

    上述研究成果以“A Current Sheet With Reconnection Signatures at a Magnetosheath Jet-Driven Bow Wave”为题发表在Journal of Geophysical Research: Space Physics上。合作团队还包括中国科学技术大学的研究人员。该研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金以及太阳活动与空间天气全国重点实验室专项研究基金的支持。

来源：国家空间科学中心