近日，我们空间数据与计算中心研究团队在磁层波粒相互作用理论研究方面取得重要进展，相关成果《Resonance broadening effects of weak turbulence on Earth’s radiation belt electrons》以Letter形式发表在美国物理学会会刊《Physical Review E》，获编辑推荐（Editors’ suggestion），且为高亮文章（Highlight article）。太阳集团网址8722特聘研究员余雄东为第一作者，袁志刚教授为通讯作者，太阳集团网址8722为第一署名/通讯单位。
准线性扩散理论的成功应用，极大程度促进了人们对地球磁层，尤其是辐射带动力学过程的认知。其中，共振条件被认为是磁层波动对粒子产生有效扩散的前提。然而，准线性扩散理论具有两大假设前提：波幅无限小和频谱足够宽，这在实际应用中并不总是满足。例如，在地磁暴或者其他极端空间天气期间，磁层中的各种波动振幅得到增强，将可能使准线性扩散理论不再适用。而目前现有的非线性理论，则大都基于单频波假设，与现实世界中的波动并不吻合。因此，突破理论假设，完善准线性扩散理论，使之能够描述大振幅或窄带宽波动对粒子的扩散作用，成为理解地球磁层波粒相互作用及其动力学效应的关键。
基于严谨的解析推导，研究团队证明，在高阶项的作用下，有限波幅或有限带宽的波动对粒子的扩散效应必然在某一时刻（τd）偏离准线性扩散。无限小波幅或者无限大带宽的假设，实质上是假设无限长的偏离时间（τd→∞），进而导致准线性扩散理论所需的共振条件。对于真实的波动而言，偏离时间总是有限（τd≪∞），从而可以摆脱共振条件的约束，对共振条件附近的粒子进行有效扩散，称之为共振增宽效应（Resonance broadening effect）。该效应在波幅较强或带宽较窄时，即准线性扩散理论失效时，将尤为明显。以磁层重要波动——合声波为例，研究团队利用测试粒子模拟对理论预测进行了对比分析，进一步验证理论结果的正确性（如图1所示）。此外，通过理论分析，研究团队给出了计算偏离时间的表达式，发展了共振增宽理论，使之能够量化共振增宽效应。至此，准线性扩散理论可视为共振增宽理论的理想近似，而共振增宽理论则为准线性扩散理论的一般化（如图2所示）。研究成果不仅厘清了共振增宽的物理来源，还给出了相应的理论描述及量化公式，为准确理解和估量磁层波粒相互作用提供了新的理论依据。
该研究的合作者还包括德国地学中心（GFZ）王德栋研究员，英国伯明翰大学Oliver Allanson教授及其博士生Samuel Hunter。该研究受到国家自然科学基金委杰出青年项目、面上项目和青年项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevE.111.L033201
图1 基于共振增宽理论（红线）、准线性扩散理论（蓝线）和测试粒子模拟（蓝点）的扩散系数比较
图2 共振增宽理论与准线性扩散理论关系示意图
（通讯员余雄东、李荣）
