科研动态 | 空间中心科研人员构建湍流-动理学耦合太阳风电子输运模型，揭示太阳风超热电子输运新机制

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太阳风是日冕持续向外喷射的带电粒子流，其速度可达数百至上千公里每秒。电子作为太阳风中的关键组分，其速度分布函数（VDF）远非热平衡状态下的麦克斯韦分布，而是由核（core）、晕（halo）和高度各向异性的束流（strahl）等成分构成。理解这些成分的形成与演化，是空间等离子体物理学的重要课题。传统模型通常采用简化假设来描述哨声波（whistler wave turbulence）与电子之间的相互作用，但其对波能谱的处理过于理想化，导致在较大日心距离处对电子的散射效率被严重低估，无法解释观测中出现的晕电子分布特征。

近日，空间中心太阳活动与空间天气全国重点实验室（以下简称“天气室”）唐勃峰等人在太阳风电子动理学研究方面取得新进展，他们将近不可压缩磁流体动力学（NI MHD）湍流输运模型与太阳风超热电子动理学输运模型相结合，构建了一套湍流-修正的波粒相互作用扩散系数，实现了对太阳风电子输运过程更真实、更自洽的描述。

在传统方法中，哨声波的能谱通常被假定为简单的幂律形式，而本研究首次从湍流模型出发，结合量纲分析方法，推导出共振波数处的磁能谱密度解析表达式。这一表达式可直接利用湍流模型输出的物理量（如磁涨落能量、相关长度等）来计算波粒相互作用的扩散系数，从而摆脱了以往对经验参数的依赖。

图 1：从靠近太阳0.1个天文单位到远及2个天文单位，针对500电子伏特的电子，新旧扩散系数随日心距离的变化特征被清晰地展示和比较。

研究结果显示，基于湍流模型的新扩散系数在0.2至2个天文单位（AU）范围内比传统系数高出约一个数量级，且随电子能量的变化更加平缓。这意味着在更远的日心距离处，电子仍能受到有效的散射，从而形成更多的向太阳方向的晕电子，解决了此前模型中散射不足的问题。此外，研究还发现，扩散系数的物理合理性对耗散范围的谱指数有严格约束，只有谱指数大于2时，模型才能与观测趋势相符。

该研究首次实现了从宏观湍流演化到微观电子散射的跨尺度耦合，为太阳风超热电子的长期演化提供了新的理论工具。未来，研究团队将把这些湍流-修正的扩散系数引入数值模拟中，进一步揭示太阳风电子速度分布函数的形成机制，并与帕克太阳探测器（PSP）、太阳轨道器（Solar Orbiter）等任务的最新观测数据进行对比验证。

该论文发表于皇家天文学会月刊Monthly Notices of the Royal Astronomical Society，MNRAS，第一和通讯作者为空间中心天气室唐勃峰博士，共同通讯作者为空间中心天气室沈芳研究员，合作者还包括美国阿拉巴马大学亨茨维尔分校的Laxman Adhikari教授、Gary P. Zank教授（美国科学院院士）。审稿人充分肯定了本文的学术贡献，认为其“为理解湍流演化条件下波粒相互作用的扩散机制提供了新的视角”。该工作受到国家重点研发计划、国家自然科学基金、空间中心攀登计划等项目的联合支持。

论文信息：

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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