研究人员测量无碰撞空间等离子体中的波粒能量转移

氢离子的不稳定性会产生电磁离子回旋波，并导致附近的氦离子加速。

地球的磁层包含等离子体，一种由正离子和负电子组成的电离气体。这些带电等离子体粒子的运动由电磁场控制。据信在这种无碰撞的空间等离子体中发生的能量转移过程是基于波粒相互作用的，例如通过等离子波的粒子加速和自发波的产生，它们实现了能量和动量的转移。

然而，尽管已经研究了磁层中波与加速粒子的共存问题，但它们之间相互作用的渐进性质使观察这些过程变得困难。因此，需要检测粒子与电场之间的局部能量转移，以实现对其相互作用的定量评估。

名古屋大学空间地球环境研究所（ISEE）的研究人员是一个研究小组的成员，该小组使用四个磁层多尺度（MMS）航天器进行了超快测量，以评估与电磁离子回旋波相关的相互作用过程中发生的能量转移。名古屋大学的Masafumi Shoji说：“我们观察到离子分布在磁场方向上不是对称的，但实际上与等离子波场同相。”

从氢离子到氦离子的能量转移过程是通过波粒相互作用发生的。

MMS航天器提供的高分辨率分辨率测量结果与成分分辨的离子测量结果相结合，以证明同时发生了两次能量转移。第一次能量传递是通过回旋共振过程从热的各向异性氢离子到离子回旋波，而第二次能量传递是从回旋波到氦离子，这是通过非共振相互作用发生的，并且看到冷的He +离子被加速到能量高达2 keV。

名古屋大学ISEE的Yoshizumi Miyoshi说：“这是通过波粒子相互作用在两个不同粒子群体之间发生无碰撞能量转移的直接定量证据。”“这种类型的测量甚至可以提供识别正在发生的波粒相互作用类型的能力。”该小组的发现最近发表在《科学》杂志上。

希望这项研究代表了迈向定量理解空间等离子体中粒子群之间波粒相互作用和能量转移的重要一步。这将对我们对各种空间等离子现象的理解产生影响，包括范艾伦辐射带，地磁风暴​​，极光颗粒降水以及行星从大气中流失，例如地球大气中氧离子的流失。

出版物：N. Kitamura等人，“在无碰撞空间等离子体中直接测量双向波粒能量转移”，《科学》，2018年9月7日：卷361，第6406期，第1000-1003页；和DOI：10.1126 / science.aap8730