太阳风加热和地球辐射带演化中的波粒相互作用

发布时间：2017-05-20 08:16

  本文关键词：太阳风加热和地球辐射带演化中的波粒相互作用，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：波和带电粒子相互的作用一直都是空间等离子体中的重要课题。本文主要关注波粒相互作用在太阳风加热和地球辐射带演化过程中的应用。我们利用一维和二维混合模拟方法来研究快速太阳风中的离子/离子不稳定性,以及阿尔文波的参量不稳定性。另外,我们利用大量的卫星数据,包括THEMIS,GOES,POES,和太阳风数据,统计分析合声波的频谱半宽和相干系数,给出合声波的激发机制的观测证据,探究太阳风对辐射带相对论电子通量骤降事件影响。本文的主要结论如下： 1.快速太阳风中的离子/离子不稳定性 利用二维混合模拟方法,我们研究了氦离子/质子不稳定的非线性演化过程。我们进一步发现,不稳定性激发的斜向传播的阿尔文波具有线偏振特性。同时,背景质子和氦离子都能被该斜向传播的阿尔文波共振加热。 利用二维混合模拟方法,我们还研究了质子/质子不稳定性的性质。斜向传播的阿尔文波会在不稳定性演化过程中被激发。不稳定性线性增长阶段,激发的阿尔文波是线偏振的,并且能够共振加热背景质子和重离子06+。加热主要是发生在垂直于背景磁场方向上。然而,随着不稳定性的演化,阿尔文波逐渐转变成左旋偏振,而且不能够再继续共振加热背景质子和重离子。此外,我们还考虑了等离子体β和背景质子的温度各向异性对不稳定性演化的影响。 2.快速太阳风中的阿尔文波的参量不稳定性 利用二维混合模拟方法来研究冷等离子中单色阿尔文波的参量衰变不稳定性。我们同时考虑了线偏振和左旋偏振两种阿尔文波。对于线偏振阿尔文波,平行传播和斜向传播的泵波都能发生垂直背景磁场方向的衰变。初始阶段,参量衰变主要在沿着泵波的传播方向上激发,随后会逐渐发展到垂直方向上。随着泵波振幅和传播角的增加,垂直方向激发的波谱将会越发展宽。等离子体β对垂直方向的衰变几乎没有影响。对于左旋偏振的阿尔文波,当泵波沿着背景磁场方向传播时,参量衰变只是限制在背景磁场方向上,没有明显的垂直衰变；只有当泵波是斜向传播的时候垂直衰变才能发生。 我们利用一维混合模拟方法来研究质子-电子-氦离子等离子体体系中的阿尔文波的参量不稳定性。当不存在氦离子时,随着泵波波数的增加,衰变不稳定性的增长率将会增加,而密度扰动的饱和振幅略有下降。但是,当存在氦离子,并且与质子存在较大的相对速度时,在一定波数范围内,不稳定性的增长率和扰动密度的饱和振幅会变得很低,参量衰变被显著抑制。在这些波数范围内,氦离子和激发的反向传播的阿尔文波满足共振关系。因此,氦离子和阿尔文波的共振相互作用对参量不稳定性具有抑制作用。 采用同样方法,我们对质子-电子-氦离子等离子体体系中的单色阿尔文波的参量不稳定进行了更进一步的分析。当质子和氦离子的相对速度足够大时,参量衰变激发的后向传播的阿尔文波在不稳定性的非线性演化阶段会通过调制不稳定性向大波数串级。与此同时,氦离子会被这些波动共振加热。另一方面,如果两者相对速度比较小,氦离子只会在参量衰变的线性增长阶段被明显加热,这里主要是与激发的密度模发生了朗道共振。因此,加热主要是在平行方向上,而在垂直方向上没有明显加热。 3.地球磁层中的电子哨声波的统计 利用THMIS的高频电磁场数据,我们对磁层中的升调,降调,和类嘶声合声波的频谱半宽和相干系数进行了统计和分析。同时,我们还讨论了它们与空间位置,电子密度,等离子体频率和局地的电子回旋频率的比值(fep/fce),以及波的振幅的关系。观测结果表明,升调和降调合声波的频谱半宽很窄((～0.01fce),要小于类嘶声合声波(～0.025fce)。同时,间断合声波的频谱半宽会随着波的振幅增加而减小,而类嘶声合声波的频谱半宽却随着波的振幅增加而变大。升调和降调合声波的相干系数极大(～1),而类嘶声合声波的相干系数要小一些,但仍然大于0.5。对于所有类型的合声波,频谱半宽与局地的fpe/fce是是正相关的,而与电子密度是反相关的。准线性理论被广泛用于描述辐射带电子和哨声波的相互作用。我们的结果表示,由于升调和降调合声波的频谱半宽很窄,相干系数极大,准线性理论并不完全适用,但是对于振幅不是极大的类嘶声合声波依然是适用的。 线性理论指出哨声波的增长率正比于热电子(-1to30keV)的数密度和所有电子的数密度比值(Nh/Nt),并且非线性波理论指出升调合声波的激发需要一个最优的线性增长率。利用THEMIS近五年的突发波形的数据,我们分别研究升调合声波,降调合声波,和类嘶声合声波的Nh/Nt与波的振幅／发生率之间的关系。统计结果表明,升调和降调合声波发生的主要区域具有很窄的Nh/Nt范围,而类嘶声合声波的发生率和振幅都随着Nh/Nt的增加而增加。我们的观测结果不仅为类嘶声合声波的激发机制提供了线索,而且为升调合声波的非线性激发理论提供了观测的证据。 4.太阳风参数在相对论电子通量骤降事件中的作用 通过时序叠加方法,我们分析了近16年的193个较强的相对论电子通量骤降事件,以此来研究太阳风参数在相对论电子通量骤降事件中所起的作用。我们发现,太阳风动压和行星际磁场BZ分量都起到了重要的作用,不管是很强的太阳风动压,还是很强的行星际南向磁场都能够引起相对论电子通量的降低。相对论电子通量骤降事件不仅能发生在磁层顶靠近地球的期间,而且能发生在磁层顶远离地球(～10Re)的情况。更为重要的是,我们结果还指出,除了通过增加太阳风动压而将磁层顶推向地球,从而导致相对论电子从磁层顶损失以外,相对论电子还能在行星际磁场南向期间被散射到损失锥内,进而沉降到大气中。这是因为行星际磁场南向能够为电磁离子回旋波的激发提供充足的自由能。支持该结论的观测证据是,最强的相对论电子沉降是在黄昏侧被观测到的,而且这一位置同时也是电磁离子回旋波的主要源区。
【关键词】：快速太阳风 阿尔文波 混合模拟 参量不稳定性 重离子加热 辐射带合声波 电磁离子回旋波 电子损失 相对论电子 电子沉降 磁层顶逃逸 太阳风动压 行星际磁场
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P353.8
【目录】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-12
• 目录12-14
• 第一章 引言14-56
• 1.1 天然等离子体实验室：太阳风14-26
• 1.1.1 太阳风的观测特征和热点问题15-16
• 1.1.2 电磁离子/离子不稳定性16-20
• 1.1.3 阿尔文波的非线性演化20-26
• 1.2 高能粒子聚集区：范艾伦辐射带26-53
• 1.2.1 地球辐射带中的带电粒子29-36
• 1.2.2 地球磁层中的等离子体波动36-44
• 1.2.3 电子辐射带的演化44-52
• 1.2.4 THEMIS,GOES,以及POES卫星的介绍52-53
• 1.3 论文研究内容53-56
• 第二章 斜向传播的阿尔文波的激发以及对太阳风的加热56-70
• 2.1 混合模拟方法介绍56-57
• 2.2 氦离子/质子不稳定性加热背景等离子体57-62
• 2.2.1 斜向传播阿尔文波的激发57-60
• 2.2.2 各种离子成分的速度分布的演化60-62
• 2.3 质子/质子不稳定性对快速太阳风的加热62-68
• 2.3.1 不稳定性的激发和波动的特征63-64
• 2.3.2 背景质子和氧离子的加热过程64-67
• 2.3.3 不同等离子体参数对加热过程的影响67-68
• 2.4 结论和讨论68-70
• 第三章 阿尔文波的参量不稳定性在太阳风演化中的作用70-90
• 3.1 阿尔文波在垂直方向上的参量衰变70-76
• 3.1.1 平行和斜向传播的线偏振阿尔文波的参量衰变70-74
• 3.1.2 平行和斜向传播的左旋阿尔文波的参量衰变74-76
• 3.2 质子-电子-氦离子等离子体中的阿尔文波的参量不稳定性76-87
• 3.2.1 氦离子束流对衰变不稳定性的抑制作用77-81
• 3.2.2 参量不稳定性产生的波动对离子的加速和加热81-85
• 3.2.3 不同等离子体参数下氦离子的加热85-87
• 3.3 结论和讨论87-90
• 第四章 地球磁层中哨声波的精细结构和激发机制90-104
• 4.1 磁层中哨声波事例的数据库的建立90-91
• 4.2 哨声波的频谱半宽和相干系数的统计91-98
• 4.2.1 频谱半宽和相干系数的计算方法91-94
• 4.2.2 频谱半宽和相干系数的全球分布94-98
• 4.3 哨声波激发机制的观测证据98-102
• 4.4 结论和讨论102-104
• 第五章 地球辐射带相对论电子通量的骤降现象104-114
• 5.1 辐射带相对论电子通量骤降事例的挑选104-106
• 5.2 太阳风在相对论电子通量骤降中所起的作用106-113
• 5.2.1 利用太阳风动压和南北向磁场对事例分类106-107
• 5.2.2 太阳风动压的作用107-109
• 5.2.3 行星际南向磁场的作用109-111
• 5.2.4 相对论电子的沉降随磁地方时的分布111-113
• 5.3 结论和讨论113-114
• 第六章 总结和展望114-118
• 参考文献118-128
• 致谢128-130
• 研究生期间发表的学术论文与取得的其他研究成果130-131

【共引文献】

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6 钱

本文编号：381067