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.

哨声模波对高能电子槽区和外辐射带的调节作用

本文利用磁层哨声模嘶声和合声波的幅度分布模型、近赤道背景电子(能量在eV量级)的数密度分布模型和IGRF10磁场模型建立了一个高能电子(能量大于50keV)准线性扩散模型.模型的数值结果表明,在不同的地磁条件下,等离子体层顶位置的变化改变了磁层背景电子数密度的空间分布,从而改变了哨声模嘶声对高能电子有效的投掷角扩散(损失)区域,同时也改变了哨声模合声波对高能电子有效的动量扩散(加速)区域.哨声模嘶声对电子投掷角扩散区域的变化和CRRES卫星探测到的高能电子的槽区变化是一致的,而合声波对电子的动量扩散区域的变化和卫星探测到外辐射带的变化相同.这种对应关系说明:在不同的地磁条件下,哨声模波对高能电子扩散区域的变化是造成高能电子槽区和外辐射带的空间位置和大小变化的一个重要因素.在一些强磁暴期间,由于嘶声对部分能量范围电子的投掷角扩散作用消失,这些电子的槽区也随之消失,从而使内外辐射带连接在一起.

基于范阿伦卫星观测的槽区嘶声波冷等离子体色散关系的适用性评估

等离子体层嘶声波对电子的散射损失是地球内外辐射带之间的槽区(1.8≤L≤3)形成的主要机制.冷等离子体色散关系被广泛地运用于量化嘶声波对高能电子的散射效应研究中,而在真实的磁层环境中,热等离子体的存在会修正嘶声波的色散特性.基于范阿伦双星的观测数据,对比了利用磁场观测数据得到的槽区嘶声波观测幅值和反演幅值,并研究了空间位置与地磁活动水平对嘶声波冷等离子体色散关系适用性的影响.结果表明,冷等离子体近似整体上高估了嘶声波的幅值,观测幅值与反演幅值的差异有着很强的日夜不对称性,而没有明显的地磁活动强度依赖性.此外发现,波动磁场的反演强度在低频(高频)处显著低于(高于)观测强度,意味着冷等离子体近似整体上高估(低估)了嘶声波对槽区较低(较高)能量电子的散射强度.研究证明,槽区嘶声波冷等离子体色散关系的适用范围有很强的空间区域与频率局限性,这对深入理解槽区电子的动态演化过程有非常重要的意义.