Alfvén波和等离子体之间的相互作用是空间和实验室等离子体研究的重要课题，在空间与天体物理领域普遍认为是解释日冕加热以及太阳风加速的重要候选机制之一。波粒相互作用过程通常具有强烈的非线性特征，其对深刻理解具体的相互作用物理过程非常关键。近日，南方科技大学地球与空间科学系2021级硕士研究生伍先树在空间与天体物理领域重要期刊《The Astrophysical Journal》上发表题为“Nonlinear Interaction of Low-frequency Alfvén Waves and Ions”的研究论文。该文采用非线性物理中庞加莱（Poincaré）截面的方式研究了相互作用过程中微观粒子与等离子体宏观平均量之间的联系，从而帮助深入理解低频Alfvén波与离子的相互作用过程。

图1. Alfvén波被认为是加热太阳日冕的潜在加热机制之一

线性共振理论通常认为低于离子回旋频率的低频Alfvén波无法与等离子体发生显著的波粒相互作用从而达到加热、加速等离子体的效果。1996年C. S. Wu 等人在对太阳活动区中质子加速的研究中首次指出，色球层上部产生的新生离子可以通过被低频Alfvén波拾起而得到加速。随后，陈骝及其合作者研究了斜传播时的低频Alfvén波与离子作用时的非线性效应，发现波动振幅超过阈值后离子运动轨迹将会变得随机化，系统从有序转变为混沌状态，同时等离子体得到加热。至此，低频Alfvén波与离子相互作用的研究存在“非共振作用”以及“随机加热”两种不同的模式。

本研究使用测试粒子模拟验证了平行传播的低频Alfvén波对离子的非线性加热，并从Poincaré截面的角度分析了其基本过程。结果表明，低频Alfvén波可以周期性地拾起离子，并通过相混（phase mixing）效应导致等离子体宏观平行速度和温度的振荡，最终实现稳定的加速。这一过程与此前研究中的“非共振作用”一致。研究发现，等离子体在相互作用过程中不同方向上的加热是由不同的机制实现的，这可以解释相互作用产生的温度各向异性。同时，研究中还发现，初始新生离子具有垂直于背景磁场方向的初速度时，庞伽莱图中离子的相空间轨迹会出现相岛（phase island）特征，边缘区域出现混沌迹象（区别于斜传播情况下的全局混沌）。这些都是“随机加热”的特征。在多支平行传播波的情况下，庞加莱图发展为全局混沌，随着波数的增加混沌程度更高，但波加热的效果却没有相应增加。文章最后还讨论了随机相位对加热过程的影响。本研究提供了低频Alfvén波对离子加热与加速机制的新见解，探讨了低频Alfvén波与离子相互作用时的两种加热机制之间的区别与联系。这些发现对于理解各种空间、天体以及聚变物理环境中的等离子体动力学具有重要意义。

图2. 平行传播的低频Alfvén波与离子相互作用时的庞加莱截面（初始速度只在平行背景磁场的方向）

伍先树为论文第一作者，该论文通讯作者为其导师李景春研究助理教授。研究合作者包括核工业西南物理研究院董家齐研究员，哈尔滨工业大学沈超教授以及南方科技大物理系李克华博士。本研究得到ITER 项目、国家自然科学基金以及深圳市国际交流合作项目的支持。

论文引用：

Wu, X., Shen, C., Li, J., Dong, J., & Li, K. (2023). Nonlinear Interaction of Low-frequency Alfvén Waves and Ions. The Astrophysical Journal, 951(2), 88.

论文地址：

https://doi.org/10.3847/1538-4357/acd642

--地球与空间科学系--

供稿：伍先树

排版：吴欣莹

编辑：黄惠婧