磁重联是等离子体中的基本过程，能改变磁力线结构并转化磁能为动能和热能，在空间物理学、天文学和实验室研究中至关重要。伴随磁重联的有多种等离子体波动，在结构形成和能量转换中起关键作用。
过去关于磁场重联中波动的观测研究，主要集中于波的特征以及激发增长研究，往往以个例研究为主。对于相互作用后续过程的波饱和，加速加热粒子等过程研究较少，波粒相互作用在能量转换中的整体图像还有待明晰。最近实验室王赤院士团队的特别研究助理任勇，戴磊研究员等，通过比较非线性拓展后的准线性理论模型和卫星统计数据，深入研究了低混杂波（LHW）在磁重联出流区中的增长、饱和和电子加热过程。首次将波的增长、饱和和电子加热的全链条过程进行了完整的对比。研究结果表明，LHW通过LHDI不稳定性增长后通过非线性作用达到饱和状态，在达到饱和状态之前，LHW通过朗道共振迅速加热平行于背景磁场方向上的电子，造成平行温度升高。
分析表明，LHWs的发生率高度依赖于密度梯度的强度（无量纲Ln/ρi），Ln/ρi < 1时具有较的高发生率，这是由于导致LHW增长的自由能来自于密度梯度。此外，当β> 1时，LHW的发生率显著下降，这是由于高β值对LHDI具有抑制作用，这些特征与LHDI增长速率的线性理论相一致。
图1 低混杂波发生率与LHDI的线性增长速率对比
观测到的LHWs的饱和能量也和密度梯度密切相关，随着梯度漂移速度VDi/Vthi（或0.5ρi/Ln）的增加而逐渐升高（图2）。与此同时，LHWs引发的电子平行加热也随VDi/Vthi的增加而不断增强（图3）。然而，值得注意的是，当存在较弱的密度梯度时，准线性模型似乎低估了加热效应的程度。这可能与模型中对饱和能量的低估有关。这些结果强调了密度梯度在LHWs波动增长、饱和和电子加热过程中的关键作用。通过和理论模型对比，该研究揭示了密度梯度无量纲Ln/ρi的重要性，它在LHW的增长、饱和和电子加热过程中发挥关键作用。
图2 低混杂波的饱和能量
图3 低混杂波加热的卫星数据统计结果
该研究结果为电子通过低混杂波在磁重连出流区域中的加热过程提供了全面的洞见。在这个情景中，低混杂波受密度梯度的驱动而增长，然后在几十个离子回旋周期内迅速饱和。与此同时，在波动振幅饱和之前（图4），低混杂波引起的电子平行加热已经完成。这一过程揭示了在磁重联出流中，密度梯度在低混杂波的波动增长、饱和和电子加热中的关键作用，为我们更好地理解这一现象提供了重要线索。
图4 拓展后的准线性模拟结果
研究工作得到了中国国家自然科学基金委员会（NNSFC）的资助（42174207）、中国国家重点实验室专项研究基金、中国科学院空间科学战略先导专项（XDA15350201，XDA15052500）、民用航天技术初步研究计划（D050103）的支持。相关成果发表在期刊The Astrophysical Journal。
论文链接：
https://doi.org/10.3847/1538-4357/acf855
Citation:
Ren, Y., Dai, L., Wang, C., and Guo, Z., “The Wave Growth, Saturation, and Electron Heating of Lower Hybrid Waves in the Magnetic Reconnection Exhaust”, The Astrophysical Journal , vol. 956, no. 2, 2023. doi:10.3847/1538-4357/acf855.