秋毫之末有洞天——从电子回旋运动说起

来源：中国空间科学学会CSSR

空间天气在人类进入太空（空间）时代之后日益受到关注，它的变化也开始渗透到人们的日常生活之中。人们对空间天气和其背后物理过程的探索从未停止过。

如同在地面天气预报人们更关心影响天气系统变化的大尺度结构（比如台风，锋面等等），在空间天气中，人们同样首先关注一些感兴趣的大尺度过程（比如太阳爆发活动如何引起地球磁层的响应等）。但是“为山九仞，垒土而成”，正如在降雨过程中离不开每一滴小雨滴的凝结一样——虽然水滴的凝结不一定与降雨有关，在空间中那些小尺度物理过程同样也是空间天气变化的基本组成。

在这里，我们从电子的回旋运动开始，看看其背后是否也别有洞天。

图1 电子在均匀磁场中的回旋运动（图片源自网络）

我们知道，均匀磁场中的电子在洛伦兹力作用下会做圆周运动（图1）。在空间等离子体中，同样充斥着大量电子，它们也会因洛伦兹力而倾向作回旋运动。同时，可以想见这些电子在任意方向的速度不会趋于无穷大，所以大多数电子回旋运动的速度都会比较低。图2a即展示了一个理想状态下电子回旋速度分布的示意图，从上俯瞰它与实际观测中的电子分布（图2b）非常类似。这些分布具有圆对称特征（circular symmetry），也就是说沿着中心对称轴旋转任意角度图形本身不变。由于这种对称与带电粒子绕磁场的回旋运动比较相近，因此我们也把这类电子分布叫做回旋各向同性电子分布（gyrotropic electron distribution）。

图2 理论预期和实际观测中电子分布

于是问题三连来了：这种电子回旋各向同性的分布什么时候能被打破呢？我们怎么才能够观测到非回旋各向同性（也叫做回旋各向异性）的电子分布？回旋各向异性的电子分布有什么作用吗？

图3 如果电子初始只位于红色边界下方，当其做回旋运动跨越红色边界后只有向右的速度分量，从而在红色边界上方形成回旋各向异性分布。

对于第一个问题，答案其实并不复杂，只要破坏电子回旋运动的对称性就可以了。图3示例了一个这样的情形：如果电子的密度在一个足够薄的边界两侧显著不同，就能自然形成回旋各项异性分布。事实上，人们在观测中已经展示了各种适宜形成电子回旋各向异性分布的条件，比如磁场的快速变化、电场的加速效应等等。

如果注意到电子穿透边界的距离与电子自身的回旋半径（也就是电子的能量）紧密相关，这样就存在一个类似“麦克斯韦妖”的自动过滤机制，只会让较高能量的电子通过而形成回旋各向异性分布。值得注意的是，一个厚度与特征电子回旋半径相当的边界通常会比较重要，否则的话，电子的回旋效应将不会有明显体现。

图4 MMS卫星编队（卫星本体大小不超过4米）在茫茫太空中的身姿 （图片来自NASA）。

因此，在空间等离子体观测中得到回旋各向异性电子分布的首要条件，就是分隔不同电子源的电子尺度边界。地球磁层的典型尺度为数十个地球半径（1地球半径≈ 6400 千米），而磁层顶附近电子的特征回旋半径为千米量级，这里面巨大的数量级差异使得以往的空间探测卫星几乎无法捕捉和分辨这么细小的结构。

近年来，美国航空航天局（NASA）执行了磁层多尺度MMS卫星项目，将电子测量的分辨率提高了约两个数量级（图4）。受益于这些突破性的卫星观测能力，人类历史上首次可以对空间等离子体电子尺度过程进行系统研究，这其中就包括回旋各向异性电子分布的大量成果（图5），从图中可以看出它们和图2的巨大差别。

起初，人们认为这些回旋各向异性电子分布最有可能存在于磁场重联的电子扩散区或其附近区域，并将其作为衡量磁场重联的电子扩散区或其附近区域的一个重要特征，但后来人们在非重联区域发现只要条件适合也会有回旋各项异性的电子分布。这也证明了回旋各项异性的电子分布存在的广泛性。

图5 在不同事件中，研究者们发现的回旋各项异性的电子分布。可以看出，它们和图2的巨大差别。

那么，研究回旋各向异性的电子分布有什么意义吗？除了满足人们的好奇心之外，人们还发现回旋各向异性电子同中心低能电子之间通常存在一个凹陷，这使得整个电子分布偏离平衡态的麦克斯韦分布。

这种电子分布是不稳定的，它能激发相应等离子波动，而后通过波粒相互作用消除这个“凹陷”，使得整个电子分布趋于平衡态。这个过程会伴随着电子的加速加热和扩散现象，这为电子跨磁力线甚至磁层顶输运提供了便利。此外，等离子体波还能通过波模转换变为射电辐射。而先前我们指出的回旋各项异性的电子分布存在的广泛性，为这些物理过程增添了更多有效性。

简而言之，与巨大的地球磁层相比，这些千米量级上的物理过程似乎显得微不足道。但这些空间中秋毫之处的等离子体变化和相关波动，如同水面的涟漪一样从不停歇；它们也好像星星之火，只待条件适合便能成为以燎原之势扰动空间天气的第一张多米诺骨牌。