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加快打造原始創(chuàng)新策源地，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)，努力搶占科技制高點(diǎn)，為把我國建設(shè)成為世界科技強(qiáng)國作出新的更大的貢獻(xiàn)。

——習(xí)近平總書記在致中國科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康，率先實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展，率先建成國家創(chuàng)新人才高地，率先建成國家高水平科技智庫，率先建設(shè)國際一流科研機(jī)構(gòu)。

——中國科學(xué)院辦院方針

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空間中心提出激波再形成證據(jù)

2020-10-28 國家空間科學(xué)中心

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語音播報(bào)

　　在20世紀(jì)80年代，基于早期的超算集群模擬，一些科學(xué)家提出在無碰撞等離子體中，較高馬赫數(shù)激波（Supercritical shock）反射一部分上游入流離子，這些回旋反射的離子能夠促使形成新的激波面，新的激波面生長成熟后，其能夠取代老的激波面并反射上游離子，這個(gè)過程周而復(fù)始，稱為激波再形成（shock self-reformation），是激波的一個(gè)基本物理特性。研究激波面再形成，有利于揭示無碰撞激波微觀結(jié)構(gòu)本身、了解能量耗散過程和理解高能粒子的加速機(jī)制。

　　目前，觀測激波再形成大多是基于磁場變化，缺乏粒子證據(jù)。此前粒子探測數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率低，這使學(xué)界尚不明確激波再形成的特性。激波再形成的確鑿觀測證據(jù)是個(gè)難題，其主要原因是觀測需同時(shí)滿足以下條件：（1）必須是多點(diǎn)衛(wèi)星觀測；（2）適當(dāng)?shù)男l(wèi)星間距和相對(duì)位置，至少有兩顆衛(wèi)星沿激波法向分開一定距離，先后觀測到的激波能夠鑒別出演化過程又落在同一個(gè)再形成周期里邊為最佳；同時(shí)，沿激波面方向也需至少兩顆衛(wèi)星以排除激波漣漪的影響；（3）穿越過程中對(duì)帶電粒子速度分布函數(shù)的高分辨率、高質(zhì)量、連續(xù)的觀測。最近，國際上發(fā)射磁層多尺度星簇計(jì)劃（Magnetospheric Multiscale Mission，簡稱MMS），4顆衛(wèi)星位形及間距合適，能夠以150毫秒和30毫秒的分辨率測量離子和電子的三維速度分布函數(shù)，為研究激波再形成過程提供機(jī)會(huì)。

　　研究團(tuán)隊(duì)副研究員楊忠煒基于MMS衛(wèi)星的激波觀測數(shù)據(jù)，利用磁場和等離子體探測器（Fast Plasma Investigation，簡稱FPI）的就地測量，首次觀測到地球舷激波的完整再形成證據(jù)，從粒子動(dòng)理學(xué)特性揭示再形成機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，2016年1月11日，MMS穿越激波時(shí)，在激波法向的衛(wèi)星間距分別在10~30千米（圖1），MMS1和MMS2先后穿越的激波面的時(shí)間正好落在同一個(gè)再形成周期（約2.7秒）內(nèi)。如圖2（e）所示，MMS1首先觀測到老的激波面正在強(qiáng)烈的反射太陽風(fēng)離子，此時(shí)激波面處在再形成中陡峭而強(qiáng)烈（峰值接近60 nT）的時(shí)刻；MMS2觀測到新老激波面此消彼長的過程，此時(shí)老的激波面減弱到40 nT左右，激波腳（foot）正在成長為新的激波面。根據(jù)理論，此時(shí)的新激波面不足以反射太陽風(fēng)離子，它們能夠直接穿過新激波面，直到遇見尚未消亡的老激波面才開始反射，這在圖2（a）-（d）中得到證實(shí)。此外，MMS2還觀測到被老激波面反射的離子在源源不斷地往上游方向回旋，因此，在新的激波面處能夠同時(shí)觀測到入射的太陽風(fēng)冷流和反射離子兩種成分，而且兩者在速度空間沒有銜接，說明反射離子源自別處（連續(xù)的速度分布函數(shù)證明其源自老激波面處，如圖3、圖4）。上述觀測結(jié)果與數(shù)值模擬的預(yù)言相吻合。

　　上述結(jié)果是首次完整的在離子回旋時(shí)間尺度上給出激波再形成過程中的電磁場演化和粒子動(dòng)理學(xué)特性的直接觀測證據(jù)。研究表明，再形成這個(gè)非穩(wěn)態(tài)特性能夠讓激波面厚度、強(qiáng)度、電磁場位形發(fā)生劇烈變化，并且存在豐富的粒子動(dòng)理學(xué)過程。以往理論研究表明，激波對(duì)粒子的加速機(jī)制（如激波沖浪加速機(jī)制等）依賴激波面的厚度和電磁場精細(xì)結(jié)構(gòu)，而激波中的能量耗散與熵增過程取決于粒子速度分布函數(shù)的演化。因此，激波再形成被認(rèn)為是無碰撞激波中決定能量耗散和粒子加速關(guān)鍵的基本物理過程之一。

　　相關(guān)研究成果以MMS direct observations of kinetic-scale shock self-reformation為題，發(fā)表在The Astrophysical Journal Letters上。

　　論文鏈接

圖1.MMS星簇在穿越地球舷激波時(shí)的衛(wèi)星間距和相對(duì)位置

　　圖2.MMS2（a-d）和MMS1（e）觀測到激波再形成中不同時(shí)刻的動(dòng)理學(xué)特性。新老激波面交替時(shí)，入射太陽風(fēng)離子(標(biāo)記為“I”)與反射離子（標(biāo)記為“R”）形成了相空間渦旋（d中用虛線橢圓標(biāo)出）。“RP”指離子反射點(diǎn)

圖3.MMS2觀測到的激波再形成中不同位置的離子速度分布函數(shù)特性

圖4.MMS2從激波上游到下游連續(xù)觀測到的離子速度分布函數(shù)三維可視化（150毫秒分辨率），包括激波再形成中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)-相空間渦旋

　　激波是宇宙中一種常見且基本的物理現(xiàn)象。在太陽系中，太陽風(fēng)暴驅(qū)動(dòng)的激波（CME-driven shock）可產(chǎn)生持久的太陽高能粒子事件和射電暴，行星的舷/弓激波（Bow shock）可改變太陽風(fēng)粒子和磁場狀態(tài)，日球?qū)咏K止激波（Termination shock）能夠加速新生離子產(chǎn)生異常宇宙射線。在天體物理中，超新星遺跡驅(qū)動(dòng)的激波（Supernova remnant shock）能夠產(chǎn)生銀河宇宙射線（GCR）。近期，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心空間天氣學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員劉潁團(tuán)隊(duì)通過分析多衛(wèi)星高分辨率數(shù)據(jù)，給出激波所固有的基本特性——激波再形成（shock self-reformation）的明確證據(jù)。
　　在20世紀(jì)80年代，基于早期的超算集群模擬，一些科學(xué)家提出在無碰撞等離子體中，較高馬赫數(shù)激波（Supercritical shock）反射一部分上游入流離子，這些回旋反射的離子能夠促使形成新的激波面，新的激波面生長成熟后，其能夠取代老的激波面并反射上游離子，這個(gè)過程周而復(fù)始，稱為激波再形成（shock self-reformation），是激波的一個(gè)基本物理特性。研究激波面再形成，有利于揭示無碰撞激波微觀結(jié)構(gòu)本身、了解能量耗散過程和理解高能粒子的加速機(jī)制。
　　目前，觀測激波再形成大多是基于磁場變化，缺乏粒子證據(jù)。此前粒子探測數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率低，這使學(xué)界尚不明確激波再形成的特性。激波再形成的確鑿觀測證據(jù)是個(gè)難題，其主要原因是觀測需同時(shí)滿足以下條件：（1）必須是多點(diǎn)衛(wèi)星觀測；（2）適當(dāng)?shù)男l(wèi)星間距和相對(duì)位置，至少有兩顆衛(wèi)星沿激波法向分開一定距離，先后觀測到的激波能夠鑒別出演化過程又落在同一個(gè)再形成周期里邊為最佳；同時(shí)，沿激波面方向也需至少兩顆衛(wèi)星以排除激波漣漪的影響；（3）穿越過程中對(duì)帶電粒子速度分布函數(shù)的高分辨率、高質(zhì)量、連續(xù)的觀測。最近，國際上發(fā)射磁層多尺度星簇計(jì)劃（Magnetospheric Multiscale Mission，簡稱MMS），4顆衛(wèi)星位形及間距合適，能夠以150毫秒和30毫秒的分辨率測量離子和電子的三維速度分布函數(shù)，為研究激波再形成過程提供機(jī)會(huì)。
　　研究團(tuán)隊(duì)副研究員楊忠煒基于MMS衛(wèi)星的激波觀測數(shù)據(jù)，利用磁場和等離子體探測器（Fast Plasma Investigation，簡稱FPI）的就地測量，首次觀測到地球舷激波的完整再形成證據(jù)，從粒子動(dòng)理學(xué)特性揭示再形成機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，2016年1月11日，MMS穿越激波時(shí)，在激波法向的衛(wèi)星間距分別在10~30千米（圖1），MMS1和MMS2先后穿越的激波面的時(shí)間正好落在同一個(gè)再形成周期（約2.7秒）內(nèi)。如圖2（e）所示，MMS1首先觀測到老的激波面正在強(qiáng)烈的反射太陽風(fēng)離子，此時(shí)激波面處在再形成中陡峭而強(qiáng)烈（峰值接近60 nT）的時(shí)刻；MMS2觀測到新老激波面此消彼長的過程，此時(shí)老的激波面減弱到40 nT左右，激波腳（foot）正在成長為新的激波面。根據(jù)理論，此時(shí)的新激波面不足以反射太陽風(fēng)離子，它們能夠直接穿過新激波面，直到遇見尚未消亡的老激波面才開始反射，這在圖2（a）-（d）中得到證實(shí)。此外，MMS2還觀測到被老激波面反射的離子在源源不斷地往上游方向回旋，因此，在新的激波面處能夠同時(shí)觀測到入射的太陽風(fēng)冷流和反射離子兩種成分，而且兩者在速度空間沒有銜接，說明反射離子源自別處（連續(xù)的速度分布函數(shù)證明其源自老激波面處，如圖3、圖4）。上述觀測結(jié)果與數(shù)值模擬的預(yù)言相吻合。
　　上述結(jié)果是首次完整的在離子回旋時(shí)間尺度上給出激波再形成過程中的電磁場演化和粒子動(dòng)理學(xué)特性的直接觀測證據(jù)。研究表明，再形成這個(gè)非穩(wěn)態(tài)特性能夠讓激波面厚度、強(qiáng)度、電磁場位形發(fā)生劇烈變化，并且存在豐富的粒子動(dòng)理學(xué)過程。以往理論研究表明，激波對(duì)粒子的加速機(jī)制（如激波沖浪加速機(jī)制等）依賴激波面的厚度和電磁場精細(xì)結(jié)構(gòu)，而激波中的能量耗散與熵增過程取決于粒子速度分布函數(shù)的演化。因此，激波再形成被認(rèn)為是無碰撞激波中決定能量耗散和粒子加速關(guān)鍵的基本物理過程之一。
　　相關(guān)研究成果以MMS direct observations of kinetic-scale shock self-reformation為題，發(fā)表在The Astrophysical Journal Letters上。
　　論文鏈接
　　圖1.MMS星簇在穿越地球舷激波時(shí)的衛(wèi)星間距和相對(duì)位置
　　圖2.MMS2（a-d）和MMS1（e）觀測到激波再形成中不同時(shí)刻的動(dòng)理學(xué)特性。新老激波面交替時(shí)，入射太陽風(fēng)離子(標(biāo)記為“I”)與反射離子（標(biāo)記為“R”）形成了相空間渦旋（d中用虛線橢圓標(biāo)出）。“RP”指離子反射點(diǎn)
　　圖3.MMS2觀測到的激波再形成中不同位置的離子速度分布函數(shù)特性
　　圖4.MMS2從激波上游到下游連續(xù)觀測到的離子速度分布函數(shù)三維可視化（150毫秒分辨率），包括激波再形成中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)-相空間渦旋
　　

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