内磁层中波与粒子的非线性相互作用

发布时间：2020-12-20 17:15

　　内磁层中存在着多种类型的等离子体波动,它们能与不同种类、不同能量的带电粒子发生共振相互作用。波粒相互作用不仅能散射粒子的投掷角与能量,还能改变粒子的分布函数。准线性理论常常被用来描述波粒相互作用,然而我们发现磁暴期间EMIC波与带电粒子的相互作用往往是高度非线性的。因此,本文使用无量纲参数R判断非线性相互作用的发生区域,并使用测试粒子模型具体分析不同情况下带电粒子的运动轨迹。本文系统研究了三种不同频带的EMIC波(氢带波、氦带波和氧带波)与环电流质子、氧离子和辐射带电子的非线性相互作用,并研究了背景等离子体参数的改变对非线性作用产生的影响。我们发现当EMIC波的角频率与带电粒子的回旋频率越接近时,发生非线性作用的区域就越大。而磁壳数L的增加、背景电子浓度的上升以及磁暴期间背景离子浓度的上升也能促进非线性相互作用的发生。相较于氦带波和氧带波,氢带波与质子和电子发生非线性相互作用的几率最大。非线性相互作用包括相位捕获效应和相位成束效应,这两种效应对高能粒子的影响截然相反。氧带波与氧离子的相位捕获效应会使氧离子能量出现螺旋式增加,这在过去的研究中从未发现过。此外,本文还研究了合声波和嘶声波与... 

【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校

【文章页数】：86 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

初始能量35keVkE，初始赤道投掷角30eq的质子的运动轨迹注：第一行分别为质子的赤道投掷角与能量随地磁纬度的演化，第二行分别为赤道投掷角

在共振点处各个质子的共振相位角也平均分布在 0 , 360 的范围内。这种质子随机的集体行为，被称为线性相互作用，在宏观上表现为扩散过程，可以用准线性理论进行精确的描述。图 3.3 显示了初始赤道投掷角 43eq 的质子运动轨迹，理论线性共振纬度 21.4res ，参数 R 1.23。从图中可以明显看出，在共振点处质子的相位角分布不再像线性相互作用一样平均分布，相位角低于180 的质子数量变少，并出现质子相位角在 附近的位置开始聚集成束，这就是相位成束效应。相位成束会导致质子的投掷角与能量降低，驱使质子进入损失锥，增加了准线性理论估计的整体损失率。然而更明显的是初始波粒相位角0 247.5 的质子在运动过程中，其相位角在一定区间内多次共振，导致质子赤道投掷角和能量的急剧增加，这就是相位捕获效应。相位捕获效应使质子能量也从 35 keV 急剧上升到 400 keV

的质子的运动轨迹注：除了质子初始赤道投掷角为 43 外，其余注释同图 3.2。在图 3.4 中，环电流质子的初始赤道投掷角 60eq ，理论线性共振纬度 14.6res ，无量纲参数 R 0.39，此时相位捕获效应消失，只剩下相位成束效应。尽管质子发生共振的位置与磁镜点位置很相近，但是绝大部分质子的实际共振纬度都要高于理论计算所得的共振纬度，并且共振相位都集中在 240 , 360 范围内，可以明显看出现质子赤道投掷角与能量出现整体减

【参考文献】：
博士论文
[1]地球内磁层中波粒相互作用的模拟和观测研究[D]. 朱辉.中国科学技术大学 2015
[2]环电流离子模式与离子分布的层析成像反演[D]. 王馨悦.中国科学院研究生院（空间科学与应用研究中心） 2006



本文编号：2928245