内磁层低频波和能量粒子动力学过程研究

发布时间：2017-11-21 21:14

  本文关键词：内磁层低频波和能量粒子动力学过程研究

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【摘要】：地磁扰动期间内磁层中存在复杂而剧烈的能量粒子动态演化,这些过程往往会导致许多空间天气灾害效应,严重威胁着在轨航天器、卫星通讯和导航系统。因此,内磁层中动力学过程研究具有重要的科学和现实意义。波粒相互作用被认为是导致内磁层中动态演化的重要物理机制。内磁层中存在各种频率不同,性质各异的电磁波,如哨声模合声波、嘶声波和电磁离子回旋波等。在不同程度的地磁扰动下,电磁波的强度、空间分布等会发生较大变化,所以我们有必要对它们的激发、增长过程进行研究。本论文主要针对内磁层中电磁离子回旋波的激发和波粒相互作用驱动的高能电子的损失与加速进行研究。电磁离子回旋波从观测形态上可以分为宽带的非相干波和上升调的相干电磁波。首先,我们利用RBSP卫星的观测数据分析了2013年10月10日宽带非相干电磁离子回旋波事件,并对地磁指数、热质子的注入、温度各向异性、背景磁场等参数进行观测。通过电磁波线性激发理论,发现这样的等离子体和背景磁场条件有利于波的增长。此结果表明亚暴期间大量注入至环电流区域的各项异性热质子和迅速减小的背景磁场激发了此事件中的电磁离子回旋波。其次,我们利用Cluster卫星观测到3个上升调相干电磁离子回旋波事件,其中两个事件位于内磁层夜侧的磁赤道附近,一个事件位于昏侧较高纬度区域。根据观测数据,我们得到研究所依赖的参数,并把这些参数输入至相干波的非线性增长模型来模拟上升调电磁离子回旋波频率随时间的变化。通过直接对比模拟和观测的扫频率,发现二者符合度较高。此工作结果为上升调电磁离子回旋波的非线性增长理论提供更好、更全面的观测依据。地磁扰动期间,辐射带高能电子通量呈现出显著的变化。RBSP卫星于2013年3月15日磁暴期间观测到夜侧外辐射带区域高能电子(900 ke V)通量的减小,并同时观测到强烈的电磁离子回旋波。低高度轨道NOAA-19卫星的数据也显示在对应的空间位置有明显的高能电子沉降,并且其沉降电子的能量在电磁离子回旋波与其发生共振的能量范围内。计算和观测结果表明电磁离子回旋波是驱动其中高能电子损失的重要原因。另外,2002年1月10日至14日亚暴和磁暴期间,LANL和GOES-10同步轨道卫星观测到50 225 ke V电子迅速注入至辐射带区域,而高能(0.6 Me V)电子通量在恢复相过程中大幅度上涨。同时当Cluster卫星飞越外辐射带夜侧区域时观测到较强的合声波波动。根据观测数据,我们利用STEERB模型模拟了有种子电子注入和无注入两种情况下合声波驱动的高能电子通量演化,结果显示有注入时通量上升幅度是无注入时的30倍。此工作表明种子电子的注入协同合声波对电子的加速作用对辐射带中高能电子通量上升产生重要影响。以上工作为已有的理论提供了更加深入全面的支持,并加深了我们对内磁层动力学过程的理解。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P353

【共引文献】

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本文编号：1212301