磁场重联是太阳-地球系统能量耦合的基本过程，通过将太阳风的能量传输到地球磁层，驱动磁层的对流运动。这一过程是跨尺度能量传输的核心机制，而非麦克斯韦电子速度分布则是重联过程中能量转移的重要动力学指标，既可作为诊断工具，也为等离子体波动的产生提供自由能来源。
中国科学院国家空间科学中心天气室王赤院士团队特别研究助理任勇和戴磊研究员等人，基于MMS（Magnetospheric Multiscale Mission）卫星的原位观测，首次在磁层顶扩散区附近揭示了一种此前鲜有研究的“胶囊”型电子速度分布。该分布在低能量段沿磁场方向呈现拉长形态，而在高能量段则呈现“蝴蝶”形状（投掷角约45°和135°处达到峰值）（见图1）。这种电子分布函数与哨声波伴随出现，通过电子回旋共振机制，在平行温度各向异性条件下（T∥ >T⊥）驱动哨声波能量的增长（见图1f和1g）。
进一步统计分析表明，在低能量段（30–100 eV），胶囊型电子分布的90°附近信号随着能量增加逐渐衰减；而在高能量段（100–1000 eV），相空间密度（PSD）峰值逐渐向90°偏移（见图2）。低能段的拉长分布特性与理论预测一致，表明其由沿磁场方向的大尺度电场俘获与加热效应主导。然而，在高能段的“蝴蝶形”分布中，模型对90°附近的信号显著低估（<0.10），暗示电子可能经历了额外的垂直加热作用。这种垂直加热机制可能与复杂磁场几何导致的局部动力学效应相关，未来研究将进一步探索这一方向，以解答观测与模型之间的差异。
图1. 2015年9月19日，MMS1在磁层顶重联扩散区附近观测到与哨声波同时出现的胶囊状分布。(a) 椭圆率。
(b) 沿磁场方向的坡印廷通量。(c) 胶囊状电子速度分布；(d) 电子投掷角分布（PAD）；(e) 归一化的投掷角分布（PAD)；(f) 求解哨声波色散关系的投掷角分布函数；(g) 哨声波的色散关系。
图2 观测与动力学模型中胶囊型电子分布的比较：(a) 观测中平面上的胶囊状电子分布函数；
(b) 归一化的投掷角分布（PADs），能量范围为30–100 eV；(c) 归一化的投掷角分布（PADs），能量范围为100–1000 eV。
动力学模型计算结果：(d)-(f)。
胶囊型电子分布的发现为磁重联区域的电子加热机制提供了新的洞见。该分布中电子沿平行磁场方向的加热被认为来源于大尺度平行磁场电势差，而这一电势差可能与动力学阿尔芬波密切相关。
相关结果已发表于期刊《Geophysical Research Letters》，本研究在中国科学院国家空间科学中心（NSSC）开展，得到以下项目的资助：国家自然科学基金（NNSFC）项目（42425404、42188101、42204172、42174207）、中国国家重点实验室专项科研基金，以及中国科学院战略性先导科技专项（空间科学II）（XDA15350201、XDA15052500）。论文链接：https://doi.org/10.1029/2024GL112074
Citation:
Ren, Y., Dai, L., Wang, C., Lavraud, B., Escoubet, C. P., & Burch, J. L. (2024). Capsule electron distributions near the diffusion region of magnetic reconnection. Geophysical Research Letters, 51,e2024GL112074. https://doi.org/10.1029/2024GL112074