2023年5月，国际著名地学杂志《地球物理研究通讯》（Geophysical Research Letters, GRL）以The potential role of modified electron acoustic wave and nonlinear mode coupling in mono-energetic aurora为题发表了我室石润副教授等的研究成果。
极光弧是最为常见的极光形态。大量研究表明产生极光弧的高能粒子都经历了加速过程，而且受平行电场加速。在等离子体中，静态电场很难自洽维持，而极光弧却可以持续几十分钟甚至几个小时，这自然就引出一个基本问题：加速极光粒子的电场为何能长时间维持、它是如何形成演化的？这是极光研究领域至今悬而未决的问题，而解决这一难题首先需要厘清各种平行电场建立的物理背景和可能存在的相互演化。
目前认为，存在两种极光粒子的加速电场，一种是准静态电场，另外一种是阿尔芬波携带的动态电场。统计研究表明，准静电加速约占分立极光粒子沉降的2/3，阿尔芬加速约占1/3。一般认为准静电加速是形成极光弧的主要机制。
图1 背景等离子体密度随高度的分布，红色示源自高处磁层的热电子密度，蓝色示源自低高度电离层的冷电子密度。磁层电离层过渡区在0.6地球半径高度处。
该研究利用自主研发的数值模型，考虑了以往未获重视的修正电子声波，揭示了一种准静电场的产生机理。与具有电磁性质的阿尔芬波不同，修正电子声波是一种静电波。模拟结果表明，磁层的能量通过阿尔芬波传递到磁层电离层的过渡区域（图1），在过渡区阿尔芬波通过波模耦合将能量传递给修正电子声波，而修正电子声波再通过自身携带的平行电场对电子进行加速。当注入的阿尔芬波的时间尺度足够长，平行电场就表现为准静电场。这种准静电场可以导致准静电加速极光电子的特征能谱（图2a）。与阿尔芬波直接加速（图2b）不同，这种机制首先经历了电磁波到静电波的能量转换，是一种静电加速。这一新的极光粒子加速机制，可以解释平行电场的演化以及长时间维持，从而为极光弧的形成提供了一个创新的理论依据。
图2 电子能通量随时间的变化：（a）阿尔芬波与修正电子声波耦合导致的准静电加速；（b）阿尔芬波直接加速电子，即阿尔芬加速。
文章的第一和通讯作者为我室石润副教授。该项研究得到国家自然科学基金（42030101, 41974193, 41874195, 41831072, 42130210）等项目的资助。
全文链接：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2022GL102680
撰稿：石润
编辑：高小丰
审核：拓守廷