北京大学地空学院宗秋刚教授团队揭示空间等离子体中异种离子相互作用驱动的跨尺度能量传输机制

近日，北京大学地球与空间科学学院宗秋刚教授团队通过分析磁层多尺度（Magnetospheric Multiscale）卫星在地球磁层中的观测数据，首次证实了异种离子间的相互作用可以有效驱动空间等离子体中的跨尺度能量传输。该成果以“Direct Observations of Cross-Scale Energy Transfer Driven by Multiple-Ion Interactions in Space Plasmas”为题，在国际著名学术期刊《自然·通讯》（Nature Communications）上发表。

等离子体是由带电粒子与电磁场相互耦合构成的复杂体系，广泛存在于恒星大气、行星际空间及行星空间环境等多种天体系统中。其动力学行为具有典型的多尺度特征。理解不同尺度物理过程之间的耦合机制与能量传输途径，是构建准确等离子体动力学模型、揭示相关空间与天体现象物理本质的关键。

长期以来，为简化理论模型与计算，空间等离子体的跨尺度相互作用研究多基于“电子-单一离子”（通常为氢离子）的近似框架。然而，实际的空间等离子体常包含多种离子成分。本研究通过分析磁层多尺度卫星在电子-氢离子-氦离子共存体系中的高精度数据，发现氢离子与氦离子对离子尺度波动的响应存在显著差异：氢离子的行为更接近电子，而氦离子则表现出典型离子特征（例如表现出显著的极化漂移运动）。这种响应差异导致两种离子之间产生相对运动，从而为低混杂尺度静电波的增长提供自由能，并驱动能量从离子尺度向更小的低混杂尺度传输。值得注意的是，即便氦离子数密度仅占总离子密度的1%，该过程依然能高效进行。

这一发现表明，即使存在微量异种离子，其与主要离子成分间的相互作用也可能引发显著的跨尺度能量传输，进而影响空间等离子体的整体演化行为。研究结果对传统的“电子-单一离子”近似模型提出了重要修正，指出在构建理论模型、解释卫星观测时，必须考虑多离子成分的物理效应。

观测环境示意图与异种离子相互作用驱动的跨尺度能量传输过程示意图

论文第一作者为北京大学博士，现为法国天体物理与行星科学研究所IRAP博士后刘志扬，通讯作者为宗秋刚，合作者包括北京大学的汪珊、周煦之与乐超。研究工作获得了国家自然科学基金、中国科技部重点研发计划及澳门科学技术发展基金的支持。