等离子体层嘶声对槽区电子的弹跳共振散射效应

等离子体波动与带电粒子的共振相互作用一直是磁层物理学的研究热点.作为一种常见的宽频、右旋极化等离子体波动,等离子体层嘶声在地球磁层电子的损失过程中起到了重要作用.其中,嘶声波对电子的回旋共振散射被认为是辐射带槽区形成的主要机制,而人们对嘶声波与电子的弹跳共振机制的理解却相对匮乏.本文旨在细致研究嘶声波与槽区电子的弹跳共振相互作用,明确其对槽区电子动态演化过程的影响.研究发现,嘶声波与电子的弹跳共振可以造成槽区电子在高投掷角(80°~90°)处明显的投掷角扩散.相比于低能(<~100 keV)电子,嘶声波引起的高能(>~100 keV)电子的弹跳共振效应明显更强.槽区电子的弹跳共振投掷角扩散系数对于L-shell、地磁活动条件和共振阶数都有着很强的依赖性.随着L-shell的增大和地磁活动的增强,嘶声波对电子的弹跳共振散射效应显著增强.对于低能电子,共振阶数对总散射系数的贡献随阶数的升高而增大;而对于低L-shell处的高能电子,共振阶数对总散射系数的贡献随阶数的升高而呈现先增大后减小的趋势.嘶声波与槽区电子的弹跳共振相互作用可以有效地将高投掷角电子散射到较低的投掷角上,进而在回旋共振机制的协助下将它们散射到损失锥中.因此,未来在地球槽区电子动力学建模过程中有必要考虑等离子体层嘶声对电子的弹跳共振散射效应.

基于范阿伦卫星观测数据的等离子体层嘶声全球分布的统计分析

等离子体层嘶声是引起辐射带电子投掷角散射进而沉降到地球大气层的重要物理机理,也被认为是导致地球内、外辐射带之间槽区形成的主因,因此研究空间等离子体层嘶声的全球分布特性具有重要科学意义.本文利用范阿伦探测双星中的A星从2012年9月到2015年5月长达33个月的高质量波动观测数据,详细计算了等离子体层嘶声的平均波幅和发生率,建立了等离子体层嘶声的全球分布数据库,并细致分析了其场强幅度随地磁活动水平、磁壳值L、地磁纬度、磁地方时的统计变化规律.结果表明,等离子体层嘶声的平均波幅与地磁活动剧烈程度具有很强的相关性,并表现出明显的昼夜不对称性.随着地磁活动的增强,日侧等离子体层嘶声的平均波幅相应增大,增强的区域集中在2.5<L<4,但是夜侧等离子体层嘶声的平均波幅反而下降.另外,不同幅度的等离子体层嘶声随地磁活动的变化表现出不同的响应特性.随着地磁活动水平的增强,较小幅度(5—30 pT)的等离子体层嘶声的日侧发生率减小,夜侧发生率增大;更强幅度(>30 pT)的等离子体层嘶声的变化特性正好相反,日侧发生率增大,夜侧发生率减小.在各种地磁活动条件下,磁赤道面附近及中纬地区等离子体层嘶声都广泛存在,波动幅度位于5—30 pT范围的嘶声发生概率最大.以上统计观测结果为现有的等离子体层嘶声全球分布模型提供了合理、可靠的补充,充分说明不同场强幅度的等离子体层嘶声在2<L<6的内磁层空间经常性地存在,为定量分析、模拟不同能量、不同投掷角的地球辐射带电子在不同太阳风与磁层背景条件下的动态时空变化过程提供了重要参数支持.

等离子体层嘶声波对辐射带电子投掷角散射系数的多维建模

等离子体层嘶声波(plasmaspheric hiss)是地球辐射带中一种常见的电磁波动.嘶声波可以通过波粒相互作用将辐射带电子散射进入损失锥进而沉降到中性大气,因此是导致辐射带电子损失的重要波动源.作为电子能量和投掷角的变化函数,嘶声波对辐射带电子的散射系数受到太阳风和地磁活动水平的显著影响,还强烈依赖于空间位置、背景磁场和等离子体密度分布.为了快速获取嘶声波对辐射带电子的投掷角散射系数以用于辐射带全球动态变化过程建模,本文利用FDC(full diffusion code)系统计算了嘶声波对辐射带电子的散射系数,建立了空间区域L=1.5—6、冷等离子体参数a^(*)=3—30、电子能量1 keV—10 MeV、电子投掷角0°—90°范围内的四维散射系数矩阵数据库.基于该数据库,可通过线性插值快速得到不同L和a^(*)参数下的嘶声波对辐射带电子的散射系数.通过对比FDC计算的散射系数与线性插值的结果,验证了基于数据库线性插值得到散射系数的准确性,大部分误差位于10%以内.本文建立的嘶声波对辐射带电子的投掷角散射系数四维数据库和验证的线性插值方法,可以大幅降低获取嘶声波散射系数全球信息的时间,从而快速提升开展长时间辐射带时空变化模拟的计算效率,进而有望为开发地球辐射带动态预报模型提供有利条件.

地球等离子体层嘶声的内部源区

地球等离子体层是向阳侧中低纬度电离层沿着闭合磁力线向上的自然延伸,其中所出现的一类频率覆盖数十赫兹至数千赫兹的哨声模波动称为等离子体层嘶声.自发现以来,等离子体层嘶声就被广泛认为是沉降损失辐射带高能电子的主要等离子体波动之一.但是,等离子体层嘶声的起源一直没有定论.潜在的来源分成两类:一类为等离子体层内部背景等离子体噪声,另一类为等离子体层外部波动.2012年发射升空的Van Allen Probes搭载了完备的磁层粒子、场和波动探测仪器,为这一问题的解决带来了新的机遇.本文综述了近5年来利用Van Allen Probes探索等离子体层嘶声内部源区的研究工作,强调背景等离子体噪声可以通过高能电子线性和非线性不稳定性叠加放大成可观测的嘶声,突出内源的广泛分布特性,即在结构上涵盖等离子体层核心和羽流,在地方时上涵盖向阳和背阳侧等离子体层,在径向距离上涵盖外层和内层等离子体层.