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太陽風(fēng)是日冕持續(xù)向外噴射的帶電粒子流，其速度可達(dá)數(shù)百至上千公里每秒。電子作為太陽風(fēng)中的關(guān)鍵組分，其速度分布函數(shù)（VDF）遠(yuǎn)非熱平衡狀態(tài)下的麥克斯韋分布，而是由核（core）、暈（halo）和高度各向異性的束流（strahl）等成分構(gòu)成。理解這些成分的形成與演化，是空間等離子體物理學(xué)的重要課題。傳統(tǒng)模型通常采用簡化假設(shè)來描述哨聲波（whistler wave turbulence）與電子之間的相互作用，但其對波能譜的處理過于理想化，導(dǎo)致在較大日心距離處對電子的散射效率被嚴(yán)重低估，無法解釋觀測中出現(xiàn)的暈電子分布特征。

近日，空間中心太陽活動與空間天氣全國重點實驗室（以下簡稱“天氣室”）唐勃峰等人在太陽風(fēng)電子動理學(xué)研究方面取得新進(jìn)展，他們將近不可壓縮磁流體動力學(xué)（NI MHD）湍流輸運模型與太陽風(fēng)超熱電子動理學(xué)輸運模型相結(jié)合，構(gòu)建了一套湍流-修正的波粒相互作用擴散系數(shù)，實現(xiàn)了對太陽風(fēng)電子輸運過程更真實、更自洽的描述。

在傳統(tǒng)方法中，哨聲波的能譜通常被假定為簡單的冪律形式，而本研究首次從湍流模型出發(fā)，結(jié)合量綱分析方法，推導(dǎo)出共振波數(shù)處的磁能譜密度解析表達(dá)式。這一表達(dá)式可直接利用湍流模型輸出的物理量（如磁漲落能量、相關(guān)長度等）來計算波粒相互作用的擴散系數(shù)，從而擺脫了以往對經(jīng)驗參數(shù)的依賴。

圖 1：從靠近太陽0.1個天文單位到遠(yuǎn)及2個天文單位，針對500電子伏特的電子，新舊擴散系數(shù)隨日心距離的變化特征被清晰地展示和比較。

研究結(jié)果顯示，基于湍流模型的新擴散系數(shù)在0.2至2個天文單位（AU）范圍內(nèi)比傳統(tǒng)系數(shù)高出約一個數(shù)量級，且隨電子能量的變化更加平緩。這意味著在更遠(yuǎn)的日心距離處，電子仍能受到有效的散射，從而形成更多的向太陽方向的暈電子，解決了此前模型中散射不足的問題。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，擴散系數(shù)的物理合理性對耗散范圍的譜指數(shù)有嚴(yán)格約束，只有譜指數(shù)大于2時，模型才能與觀測趨勢相符。

該研究首次實現(xiàn)了從宏觀湍流演化到微觀電子散射的跨尺度耦合，為太陽風(fēng)超熱電子的長期演化提供了新的理論工具。未來，研究團隊將把這些湍流-修正的擴散系數(shù)引入數(shù)值模擬中，進(jìn)一步揭示太陽風(fēng)電子速度分布函數(shù)的形成機制，并與帕克太陽探測器（PSP）、太陽軌道器（Solar Orbiter）等任務(wù)的最新觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗證。

該論文發(fā)表于皇家天文學(xué)會月刊Monthly Notices of the Royal Astronomical Society，MNRAS，第一和通訊作者為空間中心天氣室唐勃峰博士，共同通訊作者為空間中心天氣室沈芳研究員，合作者還包括美國阿拉巴馬大學(xué)亨茨維爾分校的Laxman Adhikari教授、Gary P. Zank教授（美國科學(xué)院院士）。審稿人充分肯定了本文的學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)，認(rèn)為其“為理解湍流演化條件下波粒相互作用的擴散機制提供了新的視角”。該工作受到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、空間中心攀登計劃等項目的聯(lián)合支持。

論文信息：

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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