科研動態 | 空間中心科研人員構建湍流-動理學耦合太陽風電子輸運模型，揭示太陽風超熱電子輸運新機制

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太陽風是日冕持續向外噴射的帶電粒子流，其速度可達數百至上千公里每秒。電子作為太陽風中的關鍵組分，其速度分布函數（VDF）遠非熱平衡狀態下的麥克斯韋分布，而是由核（core）、暈（halo）和高度各向異性的束流（strahl）等成分構成。理解這些成分的形成與演化，是空間等離子體物理學的重要課題。傳統模型通常采用簡化假設來描述哨聲波（whistler wave turbulence）與電子之間的相互作用，但其對波能譜的處理過于理想化，導致在較大日心距離處對電子的散射效率被嚴重低估，無法解釋觀測中出現的暈電子分布特征。

近日，空間中心太陽活動與空間天氣全國重點實驗室（以下簡稱“天氣室”）唐勃峰等人在太陽風電子動理學研究方面取得新進展，他們將近不可壓縮磁流體動力學（NI MHD）湍流輸運模型與太陽風超熱電子動理學輸運模型相結合，構建了一套湍流-修正的波粒相互作用擴散系數，實現了對太陽風電子輸運過程更真實、更自洽的描述。

在傳統方法中，哨聲波的能譜通常被假定為簡單的冪律形式，而本研究首次從湍流模型出發，結合量綱分析方法，推導出共振波數處的磁能譜密度解析表達式。這一表達式可直接利用湍流模型輸出的物理量（如磁漲落能量、相關長度等）來計算波粒相互作用的擴散系數，從而擺脫了以往對經驗參數的依賴。

圖 1：從靠近太陽0.1個天文單位到遠及2個天文單位，針對500電子伏特的電子，新舊擴散系數隨日心距離的變化特征被清晰地展示和比較。

研究結果顯示，基于湍流模型的新擴散系數在0.2至2個天文單位（AU）范圍內比傳統系數高出約一個數量級，且隨電子能量的變化更加平緩。這意味著在更遠的日心距離處，電子仍能受到有效的散射，從而形成更多的向太陽方向的暈電子，解決了此前模型中散射不足的問題。此外，研究還發現，擴散系數的物理合理性對耗散范圍的譜指數有嚴格約束，只有譜指數大于2時，模型才能與觀測趨勢相符。

該研究首次實現了從宏觀湍流演化到微觀電子散射的跨尺度耦合，為太陽風超熱電子的長期演化提供了新的理論工具。未來，研究團隊將把這些湍流-修正的擴散系數引入數值模擬中，進一步揭示太陽風電子速度分布函數的形成機制，并與帕克太陽探測器（PSP）、太陽軌道器（Solar Orbiter）等任務的最新觀測數據進行對比驗證。

該論文發表于皇家天文學會月刊Monthly Notices of the Royal Astronomical Society，MNRAS，第一和通訊作者為空間中心天氣室唐勃峰博士，共同通訊作者為空間中心天氣室沈芳研究員，合作者還包括美國阿拉巴馬大學亨茨維爾分校的Laxman Adhikari教授、Gary P. Zank教授（美國科學院院士）。審稿人充分肯定了本文的學術貢獻，認為其“為理解湍流演化條件下波粒相互作用的擴散機制提供了新的視角”。該工作受到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、空間中心攀登計劃等項目的聯合支持。

論文信息：

Tang, B.*, Adhikari, L., Zank, G. P., & Shen, F.* (2026). Impact of Evolving Turbulence on the Diffusion Coefficients for Wave-Particle Interactions Associated with Whistler Waves. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 547(4), 1-9.

https://doi.org/10.1093/mnras/stag393

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