地球等离子体层和辐射带的交叉耦合效应

The crossing and coupling of Earth’s plasmasphere and radiation belts can cause large changes in plasma density, electromagnetic wave intensity and high-energy particles, and thus affect satellites at middle or lower orbits. Although the previous studies make important progresses in the macro structures and dynamics of the plasmasphere and radiation belts, some couplings at the small-scale or micro-scale are not fully understood. This project will investigate some unresolved questions about the cross-coupling effect of the plasmasphere and radiation belts, such as the inner edge of the H+/He+ plasmasphere and its local time change, the effects of plasma density changes on the Coulomb collision frequency and high-energy particles in radiation belts, the effects of the small-scale density striations on the propagation and property of plasma waves, the effect of wave mode conversions on the high-energy particles in radiation belts, and so on.

地球等离子体层和辐射带之间的交叉耦合会造成等离子体密度、电磁波强度和高能粒子的激烈变化，从而影响着中低轨道卫星的飞行环境。尽管以前的研究对等离子体层和辐射带的宏观结构和动力学过程已取得了一定的认识，但是对一些小尺度或微观尺度上的交叉耦合效应还缺乏充分的理解。本项目将研究等离子体层和辐射带交叉耦合区域一些尚未解决的物理问题，包括H+/He+等离子层内边界位置及其地方时变化、等离子体密度变化对库伦碰撞频率和辐射带高能粒子的影响、一些小尺度等离子体密度不均匀结构（譬如密度条纹）对电磁波传播和波模性质的影响、以及波模变化对辐射带高能粒子的影响等等。相关的研究结果有助于理解和预报中低轨道区域等离子体密度、电磁波强度和高能粒子的扰动。

地球等离子体层冷等离子体与辐射带高能粒子通过库伦碰撞和波粒相互作用耦合在一起。本项目主要研究交叉耦合区（1.1 ≤ L ≤ 5）等离子体密度和电磁波随着太阳和地磁活动的变化，以及这些变化诱发的库伦碰撞和波粒共振相互作用对辐射带高能电子的影响，并考察了等离子体层内外边界与等离子体波空间分布的关系。研究取得了重要进展：（1）发现H+/He+等离子体层内边界的昼夜不对称性与低频段（< 600Hz）等离子体层嘶声（hiss）最内位置的地方时变化是一致的，建立内辐射带嘶声波的频谱分布模型（Yang et al.,JGR,2022）；（2）揭示了夜间等离子体层与顶部电离层过渡区冬季半球低中纬度上O+离子的大尺度耗尽现象(Li et al.,JGR,2022)；（3）发现等离子体层外的槽嘶声（exohiss）波幅度与层内嘶声的强度成正比，且地方时分布相同（Wang et al., GRL,2020），嘶声波的空间分布还受到太阳风密度和速度的影响（Li et al., JGR, 2019）；（4）模拟发现等离子体层嘶声、闪电产生的哨声波（LGW）和人工发射的VLF波在高能电子损失过程中起着互补和催化作用（Li et al.,JGR,2021），嘶声波造成电子的损失与磁声（MS）波加速电子之间的竞争同时依赖于波的相对幅度和背景等离子体密度（Li et al.,GRL,2022)；（5）嘶声波造成电子的损失远快于库伦碰撞效应（黄鑫鹏，硕士毕业论文，2021），库伦碰撞主要破坏几百公里高度上低能电子(< 200keV)的漂移运动（Li et al., Space Weather, 2020）。这些研究不仅解释了等离子体层和辐射带交叉耦合区的一些新现象，还解决了不同波动在高能电子加速或损失中的长期争议。共发表7篇SCI文章（Q１区３篇＋Q2区5篇），培养9名研究生，毕业4名。达到了预期研究目标。