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电磁离子回旋波对磁层粒子的散射效应

归档日期:10-15       文本归类:波散效应      文章编辑:爱尚语录

  电磁离子回旋波对磁层粒子的散射效应_物理_自然科学_专业资料。电磁离子回旋波对磁层粒子的散射效应 近些年来,电磁离子回旋(EMIC)波一直是地球磁层物理的研究热点,原因主 要在于其对磁层粒子的损失效应。EMIC 波可以通过回旋共振快速地将辐射带高 能电子沉降到大

  电磁离子回旋波对磁层粒子的散射效应 近些年来,电磁离子回旋(EMIC)波一直是地球磁层物理的研究热点,原因主 要在于其对磁层粒子的损失效应。EMIC 波可以通过回旋共振快速地将辐射带高 能电子沉降到大气层,从而影响着地球辐射带的动态变化。 由于辐射带电子会对在轨航天系统造成重大危害,EMIC 波的存在也从一定 程度上减轻了高能电子造成的空间天气灾难效应。不仅如此,作为一种重要的环 电流耗散机制,EMIC 波还可以通过回旋共振造成环电流质子的沉降损失,而沉降 到大气的质子可以导致亚极光区质子弧的产生。 本论文旨在研究 EMIC 波与各种磁层粒子的共振相互作用,及其对磁层粒子 动态演化过程的影响。本文首先介绍了磁层的基本结构和带电粒子在地球磁场中 的运动,概述了空间波粒相互作用的三种基本共振机制(回旋共振、弹跳共振和漂 移共振),介绍了 EMIC 波的频谱特性、激发机制和全球分布规律。 第二章简要介绍了等离子体波动的广义色散关系,继而分别给出了在冷等离 子体近似和热等离子体环境下的 EMIC 波色散关系的具体形式。在第三章中,基于 EMIC 波的冷等离子体色散关系,本文将准线性扩散过程中频率共振根的求解推 广到了多离子(氢、氦和氧)的等离子体环境,并应用于量化 EMIC 波通过回旋共振 对包括辐射带电子、环电流质子和中心等离子体片质子在内的多种磁层粒子的散 射损失过程。 首先,报道了一个氢、氦和氧频段 EMIC 波同时发生的事件,定量分析了三个 频段 EMIC 波对辐射带电子的独立和联合散射效应,发现氦频段 EMIC 波主导了这 一散射过程。随后,研究了 EMIC 波传播角分布对其散射辐射带电子和环电流质 子的影响,证实了传播角分布在其中扮演了重要角色,即传播角倾斜度的增大会 明显减弱 EMIC 波对粒子的损失效应。 最后,通过采用更真实的非偶极化地球磁场模型,分析了 EMIC 波对中心等离 子片质子的损失特征,定量证明了 EMIC 波导致中心等离子片中质子“反常”的 能量-纬度沉降模式。第四章研究了氢频段 EMIC 波与辐射带电子的弹跳共振相互 作用,分析了这一弹跳共振机制的共振区域及其对弹跳共振阶数的依赖性。 通过对弹跳共振散射的量化,本文从理论上证实氢频段 EMIC 波能有效作用 于在磁赤道附近弹跳的电子,从而将这些电子散射到较低投掷角上,最后在其它 回旋共振机制的作用下沉降到大气层。此外也发现,除了 EMIC 波,低频率等离子 体层嘶声也能与辐射带电子发生较为有效的弹跳共振作用。 定量研究证明,低频率嘶声和 EMIC 波对电子的弹跳共振散射效应对电子的 赤道投掷角都有着很强的依赖性。相比于 EMIC 波,频率更高的低频嘶声能与电子 发生更高阶数的弹跳共振,因而有着更宽的共振能量区间。 第五章分析了热等离子体效应对 EMIC 波回旋共振散射辐射带电子的影响。 EMIC 波对电子的损失效果主要受制于两个因素,即电子的最低共振能量和投掷 角扩散系数。 其中最低共振能量决定了 EMIC 波能作用电子的最低能量,而投掷角扩散系 数则表征了其散射电子的速度快慢。通过引入 EMIC 波热等离子体色散关系,发现 在更实际的空间等离子体环境下,EMIC 波只能对超相对论电子(2MeV)的通 量产生显著损失,这恰好解释了前人基于 EMIC 波冷等离子色散关系的理论计算 结果与近年来卫星观测之间的矛盾性。 通过量化研究热等离子体效应对 EMIC 波的电子投掷角扩散系数的影响,证 实了热质子的引入会对投掷角扩散系数产生明显改变,体现出对电子能量和赤道 投掷角的强依赖性,进一步完善了对辐射带相对论电子动力学过程以及 EMIC 波 贡献的认知。第六章对本论文开展的研究工作与取得的研究结果进行了总结,并 展望了后续拟开展的研究工作。

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