地球内磁层中哨声波的粒子模拟研究
发布时间：2021-01-27 16:19
哨声波是地球内磁层中广泛存在、十分重要的电磁波动。哨声波在磁层高密度区域如等离子体层一般呈现为非相干的嘶声波,而在等离子体层顶外常呈现为相干的合声波。合声波通常是由分立的单元组成,单个合声波单元常呈现上升调或下降调结构。哨声波是辐射带中高能电子通量增加的主要贡献者,它能够通过局地随机加速,在几小时到一天时间内将大量百keV的能量电子加速到相对论电子,在辐射带电子动力学演化中起着至关重要的作用。人们通过卫星观测、数值模拟等手段对其进行了大量的研究。本文通过粒子模拟方法,研究了哨声波在磁层中的一些非线性物理过程,包括哨声波的参量衰变,上升调合声波的激发和演化,等离子体参数对上升调合声波主要特征的影响。本文的主要结论如下:1.哨声波的参量衰变利用一维和二维的粒子模拟方法,我们研究了均匀背景磁场条件下哨声波的参量衰变。通过一维粒子模拟,我们发现:平行哨声波能够发生参量衰变,衰变出一支反向哨声波子波和一支正向离子声波;哨声波频率和振幅越大,参量衰变越强;衰变出的哨声波子波足够强时也能发生参量衰变。通过二维粒子模拟,我们发现:平行哨声波和斜哨声波都能发生参量衰变;初期都会衰变出一支反向哨声波和一支...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：117 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１地球磁层结构示意图（Ｈｕｇｈｅｓ，?１９９５）??
?第１章引?言???似位于磁尾中间晨昏平面且磁场强度近似为零的中性片分开（Ｎｅｓｓ，?１９６５；?Ｂａｍｅ??ｅｔａｌ．，?１９８３；?Ｓｌａｖｉｎｅｔａｌ．，１９８３）。中性片两侧是密度较大的等离子体区域，称为等??离子体片，厚度在子夜区域约为４ｉ？Ｅ，在晨昏两侧约为ｌＯＪ＾ＣＮａｋａｉｅｔａｌ．，１９９１）。??等离子体片的内边界到距离地面约１０００ｋｍ高度的磁层区域通常被称为内磁层??（Ｋｉｖｅｌｓｏｎｅｔａｌ．，?１９９５）。图１．２是地球内磁层示意图。内磁层区域的地磁场受太阳??风影响较小，近似为偶极常内磁层中包含辐射带、环电流和等离子体层。??弓激波＿??—？?＾?等离了？体幔??厂?Ｔ＾ｔ＾＝＝＝??ｋ极尖ｆＡ?Ｙ?等离了？体Ｍ?■—??风—、??—?￣￣＼?；???＼、?＿磁层顶??一?—??图１．２地球内磁层示意图（来自国家地磁台网中心）??磁层在不断变化的太阳风作用下，存在着各种动力学过程和能量输运。太阳??风携带的磁场可以与地磁场在磁层顶位置发生磁场重联，是太阳风向磁层传输??能量和带电粒子的主要方式。太阳风注入的能量和带电粒子主要储存在磁尾，通??过磁尾等离子体片中的磁场重联等机制释放并引发各种动力学过程和不稳定性，??如磁暴和磁层亚爆。强的磁暴能够能够干扰通讯和导航，甚至损害地面电力系??统。磁尾储存的带电粒子一部分能够注入内磁层，引起内磁层各种不稳定性和波??动，以及高能带电粒子通量的增加。高能带电粒子可能导致人造卫星和航天器的??损伤（Ｂａｋｅｒ，?２００２）。为保障卫星探测和航天活动，对内磁层动力学的研宄具有重??要意义。内磁层是等离子体层（
?第１章引?言???电粒子（ｋｅＶ量级），辐射带是磁场捕获的髙能粒子（ＭｅＶ量级）形成的圈层。??图１．３等离子体层、环电流和辐射带示意图（Ｅｂｉｈａｒａ?ｅｔ?ａｌ．，２０１１）??１．１．２辐射带??辐射带是指地球周围被地磁场捕获的高能带电粒子形成的辐射层。１９５８年??在探险者系列卫星升空后辐射带被美国物理学家范艾伦发现并以他的名字命名。??如图１．４所示，范艾伦辐射带分为内带（Ｉｎｎｅｒ?Ｂｅｌｔ）和外带（Ｏｕｔｅｒ?Ｂｅｌｔ），中间??是一个高能粒子通量较低的槽区（Ｓｌｏｔ?Ｒｅｇｉｏｎ）。内辐射带主要分布在距离地心??１．２？３ｉ？Ｅ区域，而外辐射带约从３＿ＲＥ延伸到７ｉ？Ｅ（Ｇａｎｕｓｈｋｉｎａｅｔａｌ．，２０１１）。内福射??带主要由高能（０．１－１００ＭｅＶ）质子组成，也被称为质子辐射带。同时也包含了部??分高能（？ｌＯＯｋｅＶ）电子。内辐射带高能粒子主要来源于宇宙射线撞击高层大气??的中性原子产生的自由中子，它能衰变成单个高能质子和电子，以及一个中微子??（Ｌｅｎｃｈｅｋ?ｅｔ?ａｌ．，１９６１）。还有一部分来源于磁暴期间太阳风粒子的注入（Ｊｏｒｄａｎｏｖａ??ｅｔ?ａｌ．，２００５）和太阳质子事件中高能质子的注入（Ｈｕｄｓｏｎ?ｅｔ?ａｌ．，１９９５）。外辐射带主??要由高能（Ｏ．ＭＯＭｅＶ）电子组成，又称电子辐射带。相比于内辐射带的相对稳??定，外辐射带更容易受到太阳风的影响而出现时空上的明显变化。在地磁暴期??间，外辐射带能量电子通量在几小时到几天的时间尺度上可以变化一到三个数??量级（Ｂａｋｅｒ?ｅｔ?ａｌ．，１９８６，?１９９４；?Ｌｉ?ｅｔ?ａｌ”?１９９７；?Ｒｅｅｖｅｓ?ｅｔ?ａ
【参考文献】：
期刊论文
[1]Theoretical and numerical studies of chorus waves: A review[J]. Xin TAO,Fulvio ZONCA,Liu CHEN,Yifan WU. Science China（Earth Sciences）. 2020(01)
本文编号：3003352
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：117 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１地球磁层结构示意图（Ｈｕｇｈｅｓ，?１９９５）??
?第１章引?言???似位于磁尾中间晨昏平面且磁场强度近似为零的中性片分开（Ｎｅｓｓ，?１９６５；?Ｂａｍｅ??ｅｔａｌ．，?１９８３；?Ｓｌａｖｉｎｅｔａｌ．，１９８３）。中性片两侧是密度较大的等离子体区域，称为等??离子体片，厚度在子夜区域约为４ｉ？Ｅ，在晨昏两侧约为ｌＯＪ＾ＣＮａｋａｉｅｔａｌ．，１９９１）。??等离子体片的内边界到距离地面约１０００ｋｍ高度的磁层区域通常被称为内磁层??（Ｋｉｖｅｌｓｏｎｅｔａｌ．，?１９９５）。图１．２是地球内磁层示意图。内磁层区域的地磁场受太阳??风影响较小，近似为偶极常内磁层中包含辐射带、环电流和等离子体层。??弓激波＿??—？?＾?等离了？体幔??厂?Ｔ＾ｔ＾＝＝＝??ｋ极尖ｆＡ?Ｙ?等离了？体Ｍ?■—??风—、??—?￣￣＼?；???＼、?＿磁层顶??一?—??图１．２地球内磁层示意图（来自国家地磁台网中心）??磁层在不断变化的太阳风作用下，存在着各种动力学过程和能量输运。太阳??风携带的磁场可以与地磁场在磁层顶位置发生磁场重联，是太阳风向磁层传输??能量和带电粒子的主要方式。太阳风注入的能量和带电粒子主要储存在磁尾，通??过磁尾等离子体片中的磁场重联等机制释放并引发各种动力学过程和不稳定性，??如磁暴和磁层亚爆。强的磁暴能够能够干扰通讯和导航，甚至损害地面电力系??统。磁尾储存的带电粒子一部分能够注入内磁层，引起内磁层各种不稳定性和波??动，以及高能带电粒子通量的增加。高能带电粒子可能导致人造卫星和航天器的??损伤（Ｂａｋｅｒ，?２００２）。为保障卫星探测和航天活动，对内磁层动力学的研宄具有重??要意义。内磁层是等离子体层（
?第１章引?言???电粒子（ｋｅＶ量级），辐射带是磁场捕获的髙能粒子（ＭｅＶ量级）形成的圈层。??图１．３等离子体层、环电流和辐射带示意图（Ｅｂｉｈａｒａ?ｅｔ?ａｌ．，２０１１）??１．１．２辐射带??辐射带是指地球周围被地磁场捕获的高能带电粒子形成的辐射层。１９５８年??在探险者系列卫星升空后辐射带被美国物理学家范艾伦发现并以他的名字命名。??如图１．４所示，范艾伦辐射带分为内带（Ｉｎｎｅｒ?Ｂｅｌｔ）和外带（Ｏｕｔｅｒ?Ｂｅｌｔ），中间??是一个高能粒子通量较低的槽区（Ｓｌｏｔ?Ｒｅｇｉｏｎ）。内辐射带主要分布在距离地心??１．２？３ｉ？Ｅ区域，而外辐射带约从３＿ＲＥ延伸到７ｉ？Ｅ（Ｇａｎｕｓｈｋｉｎａｅｔａｌ．，２０１１）。内福射??带主要由高能（０．１－１００ＭｅＶ）质子组成，也被称为质子辐射带。同时也包含了部??分高能（？ｌＯＯｋｅＶ）电子。内辐射带高能粒子主要来源于宇宙射线撞击高层大气??的中性原子产生的自由中子，它能衰变成单个高能质子和电子，以及一个中微子??（Ｌｅｎｃｈｅｋ?ｅｔ?ａｌ．，１９６１）。还有一部分来源于磁暴期间太阳风粒子的注入（Ｊｏｒｄａｎｏｖａ??ｅｔ?ａｌ．，２００５）和太阳质子事件中高能质子的注入（Ｈｕｄｓｏｎ?ｅｔ?ａｌ．，１９９５）。外辐射带主??要由高能（Ｏ．ＭＯＭｅＶ）电子组成，又称电子辐射带。相比于内辐射带的相对稳??定，外辐射带更容易受到太阳风的影响而出现时空上的明显变化。在地磁暴期??间，外辐射带能量电子通量在几小时到几天的时间尺度上可以变化一到三个数??量级（Ｂａｋｅｒ?ｅｔ?ａｌ．，１９８６，?１９９４；?Ｌｉ?ｅｔ?ａｌ”?１９９７；?Ｒｅｅｖｅｓ?ｅｔ?ａ
【参考文献】：
期刊论文
[1]Theoretical and numerical studies of chorus waves: A review[J]. Xin TAO,Fulvio ZONCA,Liu CHEN,Yifan WU. Science China（Earth Sciences）. 2020(01)
本文编号：3003352
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