磁层超低频波与等离子体层低能粒子的相互作用

In the solar wind-magnetosphere-ionosphere coupling processes, ultralow frequency (ULF) waves play a crucial role in the energy transfer and mass transportation. It is a hot topic in the space physics. ULF waves can propagate eletromagnetic energy over vast distances with little dissipation, and interact with charged particles via drift and/or drift-bounce resonance. Nowadays, a mass of spacecraft observations have proved that radiation belt electrons and ring current ions can be accelerated and transported by ULF waves. However, there lacks of studies about how the dynamics of plasmasphere can be affected by ULF waves, and how ULF waves' propogations and distributions can be affected by plasmasphere's density structures. In this project, using several years of spacecraft observations from Van Allen Probes, MMS, ARASE, as well as GOES, we will deeply explore the accelerating mechanisms of cold plasmaspheric particles by ULF waves, and study the role of plasmasphere's density structures in ULF waves' distributions in the radial and azimuthal directions. This project will promote our understanding of the coupling processes between ULF waves and plasmasphere.

超低频波（ULF Waves）在太阳风-磁层-电离层耦合过程中对能量的转化和物质的运输起着重要的作用，是空间物理学研究中的热点和前沿。超低频波可以远距离、低损耗传播电磁能，并且可以通过波粒相互作用实现能量的传递，对磁层动力学过程产生重要影响。目前，大量的卫星观测已经证实了超低频波对内磁层中辐射带电子和环电流离子的加速和输运作用，但是对于超低频波如何影响等离子体层的动力学过程、等离子体层及其密度结构又如何影响超低频波的传播缺乏深入的研究。本项目计划利用Van Allen Probes卫星、MMS卫星、ARASE卫星和GOES系列卫星的多年观测数据，系统地研究超低频波对等离子体层低能粒子的加速机制和加速效应、等离子体层的各种密度结构对超低频波在径向和环向方向上空间分布的影响。本项目的实施将提高人们对超低频波和等离子体层之间相互影响、相互耦合的物理过程的认识。

在太阳风与地球磁层相互作用的过程中，在地球磁层内会激发频率最低、波长最长、能量密度最大的超低频波，以往的研究发现超低频波的横向模可以形成驻波，并通过漂移共振或漂移-弹跳共振加速内磁层区域的辐射带能量电子和环电流离子。内磁层区域除了辐射带和环电流，还有以低能粒子为主的等离子体层。超低频波与等离子体层低能粒子的相互作用缺乏系统的研究。本项目主要利用Van Allen Probes卫星的电磁场和低能粒子观测，结合MMS、Arase、GOES、以及地面台站等观测，研究超低频波与等离子体层低能粒子的相互作用过程。主要取得了4个方面的成果，包括（1）获得了超低频波与等离子体层低能电子相互作用的发生区域、共振能量、发生条件等；（2）揭示了等离子体层顶表面波的空间分布情况（主要分布在昏侧区域）、与磁暴和亚暴的关系等，发现表面波极向模可以驱动Warm Plasma Cloak的各类带电粒子深入近地空间，还可以通过漂移-弹跳共振加速等离子体层低能电子，首次观测到表面波环向模可以引起等离子体层羽状结构边界在环向上的振荡；（3）发现了一种新的离子能谱色散结构——楔形离子结构，通过统计分析揭示了这种离子结构的发生区域、能量上限和发生条件等，另外通过多卫星联合观测和数值模拟发现这里离子结构来自磁尾亚暴注入，排除了超低频波加速等离子体层低能离子的可能性；（4）开发了一种超低频波自动识别和分类程序，利用地面台站观测数据构建了Pc1-Pc5波段超低频波的标准数据集。在本项目资助下，出版中文专著1部；发表论文7篇，其中第一/通讯作者论文5篇；获得发明专利1项；发布地磁超低频波标准数据集2套。