空間中心揭示無碰撞激波的熵增機制

　　近日，中國科學院空間科學與應用研究中心空間天氣學國家重點實驗室的楊忠煒、劉潁等人利用Cluster衛星的觀測數據和全粒子數值模擬，以2002年2月的一次地球舷激波穿越事件為例，揭示了無碰撞激波面內的熵增機制。這一工作發表在國際學術期刊The Astrophysical Journal Letters上。

　　無碰撞激波與太陽高能粒子、反常宇宙射線等高能粒子的加速有著密切的聯系，它在空間物理學、等離子體物理學以及天體物理學等領域都得到了廣泛的關注。無碰撞激波與普通流體激波不同，它不存在粒子間的直接碰撞，耗散只能靠波和粒子相互作用，研究它的形成和耗散機制是一個基本物理問題。至今，這個問題的答案仍不清楚。利用磁流體方程的Rankine–Hugoniot躍變條件，可以估算出等離子體經過無碰撞激波后，熵是增加的。然而，這個躍變條件無法回答無碰撞激波面過渡層里沒有碰撞為什么熵會增加？

　　楊忠煒、劉潁等由波爾茲曼-吉布斯熵的統計表達式出發，首次從衛星數據和全粒子模擬數據中提取粒子的三維分布函數信息，計算出熵密度。研究結果表明：（1）對于離子，當其穿越激波的時候，一部分離子會被激波面增強的磁場和橫越激波電勢反射，另一部分離子則直接穿過激波面。不同的粒子初始能量和入射角度導致了粒子在激波面處動理學行為的差異。這種差異性將使得離子在激波面附近的速度分布函數偏離麥克斯韋分布，離子在相空間分布變得彌散，統計溫度升高，熵增加；（2）對于電子，其回旋半徑小于激波面厚度，因此電子從上游運動到下游的過程基本上滿足角動量守恒，其速度分布函數基本上是一個展寬的過程，統計溫度升高，熵增加。數值模擬結果和觀測結果高度相似（圖1）。接下來，他們利用激波上下游宏觀物理量，估算激波前后熵的變化。結果表明，從宏觀和微觀角度計算出的熵變基本吻合。這有力地說明，激波面內粒子動理學行為能夠很好地解釋激波前后熵變的原因。最后，他們還研究了不同馬赫數條件下太陽風粒子熵變情況，發現熵增隨馬赫數的降低而減小。對于離子而言，主要原因是激波面處的反射離子減少；對于電子，其加熱過程隨著馬赫數的降低慢慢趨向于絕熱壓縮過程。

　　該研究對于人們認識無碰撞激波的耗散機制和熵增原因等基本物理問題具有重要的科學意義，同時有益于構建激波加速粒子的空間天氣預報模型。

（左列）Cluster衛星穿越地球舷激波事例：（a）磁場三分量、（b）離子能通量、（c）離子宏觀流速三分量、（d）和（e）離子和電子的熵密度變化（黑）和變化率（紅）。（右列）給出了對應的全粒子模擬結果。

無碰撞激波上下游的離子分布函數演化