摘要：

        地球电离层的温度变化能够直接影响大气逃逸和卫星轨道衰变。电离层的一个主要热源是由太阳辐射和磁层能量粒子产生的超热电子。电离层生成的超热电子在沿着磁层磁力线弹跳运动的过程中如何演化是磁层-电离层耦合的重要科学问题。中国科学技术大学空间物理教工党支部党员苏振鹏教授课题组，通过分析范艾伦探测器数据及准线性模拟，发现一种磁层向电离层转移能量的新方式，即在磁层等离子体羽中，高能电子激发嘶声波，进而通过朗道共振平行加热超热电子，同时压制库伦碰撞冷却效应，最终将能量传导至电离层等离子体。

        电离层的温度变化对大气逃逸和卫星轨道衰变有着重要影响。在电离层加热过程中发挥重要作用的是具有几个eV到几百个eV能量的超热电子，它们主要由太阳风极紫外辐射或磁层能量粒子电离大气中性粒子产生。这些超热电子能够离开电离层源区，沿着磁层磁力线进行弹跳运动。超热电子在弹跳运动过程中如何演化是磁层—电离层耦合的重要科学问题。过往研究认为，磁层磁暴和亚暴期间，环电流离子能够将能量传导给超热电子，进而转移至电离层等离子体。对应的物理机制包括：（1）环电流离子库伦碰撞加热超热电子；（2）环电流离子激发电磁离子回旋波，进而通过朗道共振平行加热超热电子。但是，环电流电子能否通过超热电子向电离层传导能量仍然是一个开放的问题。基于范艾伦探测器观测与准线性模拟，中国科学技术大学空间物理教工党支部党员苏振鹏教授课题组，提出在等离子体羽中，环电流电子能够激发嘶声波，进而通过朗道共振平行加热超热电子，最终有望将能量传导至电离层等离子体。

图1. 范艾伦探测器观测到的等离子体羽中的嘶声与超热电子加热之间的密切关系：（a）等离子体羽嘶声谱强度；（b-e）超热电子通量。

         2014年1月30日，范艾伦探测器连续穿越了向阳侧的手指状高密度等离子体羽（图1）。在这些等离子体羽内，环电流电子激发了高强度的嘶声波，对应的是平行于磁场方向显著增强的50-300eV电子通量。这些观测数据清晰展示了等离子体羽中的嘶声波与超热电子平行加热之间的一一对应关系。详细的理论计算表明，嘶声波主要通过朗道共振对超热电子进行平行加热。实际上，在等离子体羽中，除了嘶声波驱动的朗道共振加热过程以外，另一个不可忽略的物理过程是高密度的背景冷等离子体对超热电子的库伦碰撞冷却效应。如图2所示，加热和冷却两种机制相互竞争能够很好地解释超热电子演化的能量依赖特征。对于>50eV的超热电子，嘶声波朗道共振加热占据主导，能够使得平行方向通量在1.5个小时时间尺度上提升1个数量级以上。这些平行方向增强的超热电子最终能够沿磁力线到达电离层，通过弹性和非弹性碰撞将能量转移至电离层等离子体。初步的估算显示，对于可观测的>14eV超热电子，由嘶声波驱动的朗道共振加热额外提升了电离层加热率30%左右。

图2. 模拟与观测的电子通量演化（线条代表模拟结果，符号代表观测结果）：（a-d）嘶声波朗道共振加热；（e-h）嘶声波朗道共振加热+背景等离子体库伦碰撞冷却。

       这些观测和模拟结果清晰展示了磁层环电流高能电子向电离层等离子体传输能量的物理过程：（1）高能电子激发等离子体羽嘶声波；（2）嘶声波通过朗道共振平行加热超热电子；（3）超热电子弹跳返回电离层传导能量。当前的观测结果并不孤立，范艾伦探测器多次在地球磁层中观测到类似的物理现象。嘶声波本质上属于低频的哨声模波动，类似的低频哨声波可以由多种等离子体物理过程在火星和金星等类地行星电离层中生成。对于其他类地行星电离层的演化，哨声波驱动的等离子体加热效应也可能发挥作用。

        上述成果发表于空间物理领域权威学术期刊Geophysical Research Letter，论文的第一作者是中国科学技术大学的硕士研究生王忠善，共同通讯作者是中国科学技术大学苏振鹏教授和刘倪纲博士后。该成果获得了中科院战略性先导科技专项(XDB41000000)、国家自然科学基金(41774170和41631071) 和中科院前沿科学重点研究项目（QYZDB-SSW-DQC015）等支持。

论文信息：Wang, Z., Su, Z., Liu, N., Dai, G., Zheng, H., Wang, Y., & Wang, S. (2020). Suprathermal electron evolution under the competition between plasmaspheric plume hiss wave heating and collisional cooling. Geophysical Research Letters, 47, e2020GL089649. https://doi.org/10.1029/2020GL089649