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符慧山教授课题组首次在火星发现电子的回旋冷却效应

2021年10月08日 16:40
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日前,我院符慧山教授课题组首次在火星磁尾发现电子的回旋冷却效应,并建立模型定量地重现了该物理过程。该研究成果以“Betatron cooling of electrons in Martian magnetotail”为题发表于空间物理学领域的著名期刊《地球物理研究快报》(Geophysical Research Letters)上。

 

1. 火星(来源于美国宇航局戈达德空间飞行中心

在太阳系的八大行星中,火星是人类最为关注的类地行星(图1),火星的探测和研究对于认识我们人类的家园—地球—有着不可替代的作用。火星没有内禀磁场,只有部分的地壳剩磁,因此太阳风能显著影响火星的磁层,尤其是火星磁尾。火星的磁尾极其活跃和复杂,为我们研究等离子体物理(如电子的回旋冷却)提供了一个天然实验室。迄今为止,电子回旋冷却效应在地球以外的空间环境中从没有被发现。

 

2. 电子回旋冷却效应的观测

电子回旋冷却的观测特征为:在磁矩(第一绝热不变量)守恒的条件下,局部磁场减弱导致了电子在垂直方向的通量减少(图2)。符慧山教授课题组借助于MAVEN卫星的探测数据,首次在火星的空间环境中发现了这一物理过程。他们对电子分布函数进行了详细分析,发现在火星磁尾,热电子、超热电子和高能电子都发生了回旋冷却;同时,他们建立了一个物理模型,并利用该模型对电子回旋冷却进行了定量计算,发现该模型能够成功复现所观测到的物理现象(图3),从而定量地解释了火星磁尾的电子回旋冷却过程。

 

3. 观测数据(实线)和模型计算(虚线)的定量比较

 

随着我国航空航天事业的不断进步,我国空间科学、空间技术和空间应用也得到了全面发展。近年来,必赢网址官网入口曹晋滨教授领导的空间科学团队,面向国家深空战略,利用我国嫦娥系列卫星月球探测数据和天问一号火星探测数据开展了月球和火星科学研究,并取得一些重要结果。

地球物理研究快报(Geophysical Research Letters)是空间物理学领域的著名期刊,为“自然指数”期刊,由美国地球物理学会(AGU)于1974年创办,主要发表空间物理学、固体地球物理学、大气科学、气候学、海洋学、水文与地表、冰冻圈等领域的最新研究成果。

 

此项研究获得了国家自然科学基金创新研究群体项目的支持。 

相关论文链接:http://dx.doi.org/10.1029/2021GL093826

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