北京大学地球与空间科学学院周煦之、宗秋刚教授和李京寰、杨帆同学等人组成的研究团队通过构建自洽的等离子体平衡态模型，对太空中观测到的嵌套型磁洞进行了动理学重构。该模型与观测结果高度一致，证实了磁洞作为稳定的抗磁结构，其磁场强度的下降源自于其束缚的等离子体。这一工作为理解太空中磁洞的形成及其在空间等离子体湍流过程中的作用提供了新的启示。相关成果以“Self-consistent kinetic model of nested electron- and ion-scale magnetic cavities in space plasmas（空间等离子体中嵌套电子-离子尺度磁洞的自洽动理学模型）”为题，发表于国际学术期刊Nature Communications（《自然-通讯》）。

图一：卫星观测（左）与平衡态磁洞模型（右）的对比

在宇宙空间中，绝大部分物质呈现等离子体态，即由等量的自由电子与带电正离子所组成的物质状态。它有别于固体、液体和气体，常被称为物质的第四种状态。在等离子体中，带电粒子之间的相互作用主要通过长程的库仑力进行，因此其行为与依靠碰撞等短程作用的气体分子行为不同，呈现出强烈的集体效应。同时，由于带电粒子的运动可形成电流并产生磁场，或通过电荷的局地集中产生电场，因此等离子体与电磁场环境之间存在着紧密的耦合关系。尽管等离子体的行为仍可在流体力学框架下被近似描述，但电磁场的出现极大丰富了等离子体中各种波动和湍流的性质。

近年的卫星观测显示，空间等离子体中存在着大量尺度不一（电子回旋半径或离子回旋半径尺度）的弱磁场区域，即所谓的磁洞结构。在磁洞中，磁场的下降一般是准对称的，它们被认为源于电子或离子涡旋所携带的环状电流，而这些涡旋的形成则与等离子体湍流过程密切相关。然而，由于卫星局地观测的限制，人们难以对这种结构的全貌进行分析，也因而一直没能在等离子体理论框架下建立起一套可与观测进行对比的自洽模型。研究团队从弗拉索夫-麦克斯韦方程组出发，并考虑了电子的绝热运动和等离子体的准中性条件，求解出磁洞的动理学平衡态模型。该模型与实验室等离子体中常见的角向箍缩结构具有相似的位形。模型自洽的给出了电磁场和等离子体的空间分布以及带电粒子的速度分布，且它们均与美国宇航局MMS卫星的观测极为接近（见图一）。图二则给出了这个嵌套型磁洞在质子回旋和电子回旋两个尺度下的磁场分布截面。

图二：磁洞在质子回旋（左）与电子回旋尺度（右）上的磁场分布

该论文两名共同第一作者为地空学院博士研究生李京寰、杨帆，通讯作者为周煦之、宗秋刚。该文章的共同作者还包括地空学院何建森、濮祖荫教授，物理学院肖池阶教授，以及山东大学、中国国家空间科学中心、美国加州大学洛杉矶分校、加拿大阿尔伯塔大学等国内外多个机构的研究人员。该项工作获得了国家自然科学基金委的资助。

文章信息：

Li, J.-H., Yang, F., Zhou, X.-Z., Zong, Q.-G., Artemyev, A. V., Rankin, R., Shi, Q., Yao, S., Liu, H., He, J., Pu, Z., Xiao, C., Liu, J., Pollock, C., Le, G., and Burch, J. L., Self-consistent Kinetic model of nested electron- and ion-scale magnetic cavities in space plasmas, Nature Communications, doi:10.1038/s41467-020-19442-0, 2020.