耗散性离子回旋波的场-粒子的本征扰动及其耦合作用

波-粒相互作用在无碰撞空间等离子体的波/湍动能量与粒子能量之间的转换中起着至关重要的作用。离子回旋波作为一种在等离子体世界中广泛存在的动理学波动，其对等离子体的加热、粒子的投掷角扩散等方面的贡献受到广泛关注和深入剖析。在日地空间物理的多个关键问题上，比如原初太阳风加热形成百万度温度的机制、行星际太阳风非绝热膨胀的温度维持、地球弓激波下游的湍动等离子体的能量再平衡过程、地球磁层离子向极区电离层的沉降机制，离子回旋波都被认为是重要的驱动源之一。然而，对离子回旋波耗散起作用的场-粒子之间是如何相互作用（更确切说，粒子相空间密度具有怎样的本征扰动，其是如何与电磁场的本征扰动耦合作用），即使是在空间原位探测60余年的历史进程中，仍然缺乏有效的直接观测。所以，研究探索离子回旋波的电磁场本征扰动与离子相空间密度本征扰动，以及二者之间的相互关联，对全面理解等离子体动理学波/湍动中的场-粒子耦合及其能量转换作用是十分必要的、而且具有显著意义。
为了寻找空间离子回旋波的电磁场和离子相空间密度的本征扰动及其二者之间的耦合关系，Luo et al.(2022)从观测和理论两条途径开展综合研究。作者就Magnetospheric Multiscale (MMS) 卫星关于空间电磁场三维矢量和离子三维相空间密度的高质量采样探测进行深入剖析。作者通过观测分析发现，电磁场本征扰动矢量和离子相空间密度本征扰动均绕背景磁场回旋。此外，离子相空间密度本征扰动与电磁场本征扰动之间的绝对相位角之差在(0,90)°范围内，表明离子回旋波通过波粒相互作用将场的能量转化为离子的能量。另外，电磁场矢量、离子电流密度和能量转换率呈现准周期振荡，并且从积分角度上看回旋电磁场对离子做的功总体是正的，说明离子主要是通过回旋共振得到能量。

作者基于等离子体波动理论发展了新的“等离子体本征模全扰动解算器” (Plasma Kinetics Unified Eigenmode Solutions, PKUES)，利用该理论解算器预测电磁场和离子相空间密度的本征扰动以及二者之间的相关关系，发现有关离子回旋波耗散的场-粒子的本征扰动与MMS的观测结果有较好吻合，从而阐明了场本征扰动和粒子相空间密度本征扰动的耦合关系在离子回旋波耗散过程中的关键作用。

进一步，作者统计分析了MMS自2015年到2021年在地球空间环境中探测到离子回旋波事件，研究发现39%的离子回旋波事件是处于耗散衰减的过程，36%的事件比例是处于不稳定增长的，而另有25%左右是比较稳定的。这项工作关于离子回旋波耗散物理图像中能量从波场到粒子传递的直接观测证据，是理解无碰撞等离子体中能量通过场-粒子相互作用再分配的重要一步，对于认识日球层中广泛存在的场-粒子相互作用机制和效应具有重要的科学意义。
中山大学大气科学学院空间与行星科学系博士生罗巧文和北京大学地球与空间科学学院空间物理与应用技术研究所博士生朱星宇为文章共同第一作者，北京大学何建森老师为文章的通讯作者，其他合作者包括中山大学的崔峻老师、赖海容老师，英国UCL的Daniel Verscharen老师，以及北京大学的段叠博士。这项工作得到来自中国NSFC、NKR&D和CNSA，以及英国STFC的项目经费的支持。

论文发表：
Luo, Q., Zhu, X., He, J., Cui, J., Lai, H., Verscharen, D., & Duan, D. (2022). Coherence of Ion Cyclotron Resonance in Damped Ion Cyclotron Waves in Space Plasmas. The Astrophysical Journal, 928(1), 36. 
研究中所用的“等离子体本征模全扰动解算器”（PKUES）程序包发布在：https://github.com/PKU-Heliosphere/PKUES