波-粒相互作用在无碰撞空间等离子体的波/湍动能量与粒子能量之间的转换中起着至关重要的作用。离子回旋波作为一种在等离子体世界中广泛存在的动理学波动，其对等离子体的加热、粒子的投掷角扩散等方面的贡献受到广泛关注和深入剖析。在日地空间物理的多个关键问题上，比如原初太阳风加热形成百万度温度的机制、行星际太阳风非绝热膨胀的温度维持、地球弓激波下游的湍动等离子体的能量再平衡过程、地球磁层离子向极区电离层的沉降机制，离子回旋波都被认为是重要的驱动源之一。然而，对离子回旋波耗散起作用的场-粒子之间是如何相互作用（更确切说，粒子相空间密度具有怎样的本征扰动，其是如何与电磁场的本征扰动耦合作用），即使是在空间原位探测60余年的历史进程中，仍然缺乏有效的直接观测。所以，研究探索离子回旋波的电磁场本征扰动与离子相空间密度本征扰动，以及二者之间的相互关联，对全面理解等离子体动理学波/湍动中的场-粒子耦合及其能量转换作用是十分必要的、而且具有显著意义。为了寻找空间离子回旋波的电磁场和离子相空间密度的本征扰动及其二者之间的耦合关系，北京大学何建森老师课题组和国内外同行（中山大学大气科学学院崔峻老师和赖海容老师及其课题组，以及英国伦敦大学学院Mullard空间科学实验室Verscharen老师）合作，从观测和理论两条途径开展综合研究。作者就Magnetospheric Multiscale (MMS) 卫星关于空间电磁场三维矢量和离子三维相空间密度的高质量采样探测进行深入剖析。作者通过观测分析发现，电磁场本征扰动矢量和离子相空间密度本征扰动均绕背景磁场回旋。此外，离子相空间密度本征扰动与电磁场本征扰动之间的绝对相位角之差在(0,90)°范围内，表明离子回旋波通过波粒相互作用将场的能量转化为离子的能量。另外，电磁场矢量、离子电流密度和能量转换率呈现准周期振荡，并且从积分角度上看回旋电磁场对离子做的功总体是正的，说明离子主要是通过回旋共振得到能量。
图-1. 针对MMS在地球磁层空间中（上图）探测的耗散性离子回旋波事件，分析得到的三维离子相空间密度扰动和电磁场扰动（下图）。下图中绿色线为电场矢量，黄色线为磁场矢量，蓝色等值面为扰动的离子相空间密度的等值面。作者基于等离子体波动理论发展了新的“等离子体本征模全扰动解算器” (Plasma Kinetics Unified Eigenmode Solutions, PKUES)，利用该理论解算器预测电磁场和离子相空间密度的本征扰动以及二者之间的相关关系，发现有关离子回旋波耗散的场-粒子的本征扰动与MMS的观测结果有较好吻合，从而阐明了场本征扰动和粒子相空间密度本征扰动的耦合关系在离子回旋波耗散过程中的关键作用。
图-2. 基于PKUES得到的耗散离子回旋波所对应的三维离子相空间密度的本征扰动和电磁场本征扰动。图中绿色线为电场矢量，黄色线为磁场矢量，外面近似球形的闭合曲面为总（背景+扰动）的离子相空间密度的等值面，里面“腰果”状的闭合曲面为本征扰动的离子相空间密度的等值面。
进一步，作者统计分析了MMS自2015年到2021年在地球空间环境中探测到离子回旋波事件，研究发现39%的离子回旋波事件是处于耗散衰减的过程，36%的事件比例是处于不稳定增长的，而另有25%左右是比较稳定的。这项工作关于离子回旋波耗散物理图像中能量从波场到粒子传递的直接观测证据，是理解无碰撞等离子体中能量通过场-粒子相互作用再分配的重要一步，对于认识日球层中广泛存在的场-粒子相互作用机制和效应具有重要的科学意义。图-3. 耗散性离子回旋波的本征扰动的相关耦合（相空间密度(腰果状闭合曲面)、磁场(黄色线)、和电场(绿色线)）（俯视图-朝着背景磁场方向）
图-4. 耗散性离子回旋波的本征扰动的相关耦合（相空间密度(腰果状闭合曲面)、磁场(黄色线)、和电场(绿色线)）（侧视图）
目前关于高质量的空间电磁场和等离子体相空间密度的观测主要归功于MMS星座卫星，但MMS的载荷设计还是局限于在地球磁层和磁鞘里的探测，对于更远的行星际空间里的太阳风的探测表现不佳。在MMS任务之后，关于地球磁层和近地太阳风及其相互作用的探测计划有中欧联合的SMILE（太阳风-磁层相互作用全景成像卫星）项目（计划在2024年底发射）、美国的HelioSwarm项目（计划在2028年发射）等。中山大学大气科学学院空间与行星科学系博士生罗巧文和北京大学地球与空间科学学院空间物理与应用技术研究所博士生朱星宇为文章共同第一作者，北京大学何建森老师为文章的通讯作者，其他合作者包括中山大学的崔峻老师、赖海容老师，英国UCL的Daniel Verscharen老师，以及北京大学的段叠博士。这项工作得到来自中国NSFC、NKR&D和CNSA，以及英国STFC的项目经费的支持。论文发表：
Luo, Q., Zhu, X., He, J., Cui, J., Lai, H., Verscharen, D., & Duan, D. (2022). Coherence of Ion Cyclotron Resonance in Damped Ion Cyclotron Waves in Space Plasmas. The Astrophysical Journal, 928(1), 36.
研究中所用的“等离子体本征模全扰动解算器”（PKUES）程序包发布在：https://github.com/PKU-Heliosphere/PKUES
排版：林荣、罗哲楷