在国家自然科学基金项目（批准号：41421003，41627805，41628402和41774153）资助下，北京大学地球与空间科学学院宗秋刚教授研究团队在日地空间小尺度结构的研究工作中取得重要进展，揭示了空间等离子体中电子尺度磁洞的几何形态与产生机制，提供了一种新的日地空间中粒子的加速机制和等离子体湍动中能量输运与耗散的机制研究方法。研究成果以“MMS Observations of Electron Scale Magnetic Cavity Embedded in Proton Scale Magnetic Cavity”（MMS卫星观测到的嵌入质子磁洞的电子磁洞）为题，于2019年3月4日在Nature Communications（《自然·通讯》）上在线发表。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-08971-y。
电子尺度磁洞是日地空间复杂的太阳风、磁层相互作用环境中存在的一类极小尺度的电子涡旋结构，它的形成与等离子体湍动中的能量耗散、带电粒子加速等有密切关联。然而，由于其全貌难以通过卫星实地观测而得到，人们一直未能直接测量这种结构的几何形态和空间分布。
宗秋刚教授研究团队另辟蹊径，创新地使用了“电子回旋各向异性”作为度量太空等离子体磁洞边界的方法（图1），利用NASA的“磁层多尺度任务” (Magnetospheric Multiscale, MMS) 卫星提供的高精度数据，将电子密度分布变为一种“探测器”，通过持续的遥测首次直接获得了结构的边界形状和分布(图2)。研究结果显示，电子尺度磁洞在垂直磁场方向的截面为圆形，圆中心可以被认为是电子尺度磁洞的中心，且磁场与等离子体的分布具有很好的旋转对称性。据此，研究团队认为电子尺度磁洞是一种相对稳定的抗磁结构且该结构嵌入在质子尺度磁洞中，意味着不同尺度间可能的耦合。此外，“电子回旋遥测”方法作为一种创新的方法，有望在更多研究领域得到应用。
图1 用“电子回旋遥测”方法解析磁洞结构的原理示意图
图2 “探测器”获得的电子尺度磁腔的几何形状
数据来自于MMS四颗卫星探测，每颗卫星有八个能量通道（通过不同的符号和颜色进行区分）。