内磁层超低频极向波特征及其产生机理研究

ULF poloidal waves are geomagnetic field line oscillations with a strong displacement in the radial direction. These waves, having a primary electric field in the azimuthal direction, can efficiently accelerate or decelerate magnetosphere energetic particles through wave-particle resonance interactions. Despite the potential role that poloidal wave play in affecting energetic particles in the ring current and the radiation belt, their physical properties, their occurrence rate in storms, and corresponding excitation mechanisms are not fully understood in the inner magnetosphere. We propose to use the state-of-art Van Allen Probes (RBSP) data from 2012 to 2014 to investigate the poloidal waves in the inner magnetosphere. In the low beta plasma of the inner magnetosphere, the extent to which the compressional component is coupled to the poloidal mode gives hints on the magnitude of m number and wave sources. We systematically divide ULF poloidal waves into compressional poloidal waves and non-compressional poloidal waves. For the two types of ULF poloidal waves, our object is to understand their 1) the occurrence rate in storm, 2) the spatial distribution in the inner magnetosphere, 3) the corresponding excitation mechanisms and free energy source, 4) relation to the plasmapause. These issues are longstanding questions in magnetosphere, with profound implications for magnetosphere energetic particles in the ring current and radiation belts, which are important for satellite safety and space environment security.

超低频极向波是磁层中磁力线主要在地球半径方向上的低频振动，这些低频波的电场主要在方位角方向上，可以通过波粒共振有效地加速或减速磁层中的能量粒子。超低频极向波在磁暴中的发生率, 在内磁层中的性质，对应的各种产生机理现在还未完全理解。本项目提议使用 Van Allen Probes (RBSP) 卫星最新的2012-2014年的数据研究内磁层的超低频极向波。在低Beta的内磁层，超低频极向波所带的磁压缩分量大小提示了波的性质和源头。我们首次将超低频极向波系统地划分为带强压缩分量和弱压缩分量的两类。研究目标是揭示两类极向波1) 在磁暴各阶段的发生率，2) 在内磁层的空间分布，3）分别对应的产生机理和自由能，4) 和等离子体层顶的关系。超低频极向波是磁层物理长久研究的基本问题，对磁层中环电流和辐射带的高能粒子有重要影响，本研究对卫星安全和空间环境安全也有现实意义。

超低频（ULF）极向波是磁层中普遍存在的磁力线在地球半径方向上的低频振动，频率范围1 mHz to 1 Hz, 覆盖范围包括了磁层内频率最低频谱往上到离子的回旋频率附近。这些低频波的电场主要在方位角方向上，可以通过波粒共振有效地加速或减速磁层中的能量粒子。虽然超低频极向波对环电流和辐射带的能量粒子有重要影响，但是这些波在内磁层中的性质，磁暴中的发生率，对应的各种产生机理以及比例等还未完全理解。本项目提议使用 Van Allen Probes (RBSP) 卫星数据进一步研究ULF波动的这些问题。..因为内磁层中超低频极向波所带的磁压缩分量大小提示了波的性质和源头，我们首次将超低频极向波系统地划分为带强压缩分量和弱压缩分量的两类研究。通过Van Allen Probes 观测数据的统计分析， 我们研究了两类极向波 1) 在磁暴各阶段的发生率，2) 在内磁层的空间分布，3）分别对应的产生机理和自由能，4) 被等离子体层顶如何影响。主要研究结果有，1. 从统计数据上验证，压缩性和非压缩性波模的物理产生机制和源头截然不同。压缩性超低频极向波源头来自太阳风动压的变化。非压缩性超低频极向波主要分布在磁暴的后恢复相，来源于环电流的衰减，和磁暴的发展相。 2. 统计上得到了两类极向波在磁暴各个发展相位的分布。压缩性超低频极向波源头告发于磁暴主项和恢复项各个时间段；纯极向波只在恢复向后期高发。3.超低频极向波发生位置和等离子层顶密切相关，高发于等离子层顶边界的[-1，+2]个地球半径内，表明超低频极向波的振幅和发生是很可能受到等离子层顶边界调制的。这些主要结果于2015年发表于JGR期刊。..通过事件研究，对超低频（ULF）极向波极化状态的时变现象进行了初步研究。通过 Van Allen Probe,MMS卫星的连续多轨观测，发现超低频的极化状态由Toroidal mode向Poloidal mode 转化。这个观测和以往的MHD理论完全相反，显示我们对超低频波的时间演化并没有完全清楚的了解。这一转化伴随着粒子弹跳共振作为波动的自由能，显示可能需要在动力学框架内理解超低频（ULF）波动的极化变化特征。研究结果于2019年发表于EPP...这些研究结果加深了对磁层中超低频（ULF）波动以及相关波粒作用的理解。