行星磁层中电子回旋谐波的激发与饱和机制研究

Electron cyclotron harmonic (ECH) waves are electrostatic waves and are widely observed in planetary magnetospheres. In terrestrial magnetospheres, these waves can cause pitch angle scattering of energetic electrons and lead to precipitation of these electrons into the atmosphere; this process is believed to be responsible for the formation of diffuse aurora in the outer magnetosphere. Observations also demonstrate that ECH wave intensification in the outer magnetosphere is related to particle injection and dipolarization front. ECH waves have also been observed in the Saturnian magnetosphere by Cassini satellite both inside and outside local injection events. However, within local injection events, ECH waves typically have a high number of harmonics (~7), while outside local injection events, ECH waves are observed to occur only in the first or second harmonic bands. Previous research about ECH waves mainly used linear plasma theory to calculate their linear growth rates; however, linear calculations cannot take into consideration the nonlinear process of wave evolution, which eventually leads to wave saturation. In this proposal, we plan to use two-dimensional electrostatic particle-in-cell simulations to study the physical mechanism of ECH wave excitation and saturation, to further understand the correlation between ECH intensification and particle injection or dipolarization fronts in terrestrial magnetosphere, and to identify the key plasma parameters that are responsible for the difference in harmonic numbers between ECH waves inside and outside local injection events in Saturnian magnetosphere. Finally, we also plan to establish the dependence of ECH wave saturation amplitude on various plasma parameters.

电子回旋谐波（ECH）是行星磁层中的一种常见静电波动。在地球磁层中，其所造成的电子投掷角散射被认为是形成外磁层弥散极光的主要波模，同时ECH波动的增强往往与磁尾的粒子注入与偶极化锋面相关。在土星磁层中，卡西尼卫星在局地注入事件内观测到了大量高谐波数 (~7)的ECH波动；而在局地注入事件外，ECH波却往往只有1到2个谐波。对于这些观测的ECH波动现象的解释还存在大量争议。之前的研究着重于使用线性等离子体理论计算ECH波动的线性增长率，但这种计算无法考虑激发过程中的非线性演化以及ECH波动的饱和过程。本项目计划使用二维的自洽静电粒子模拟程序研究ECH波动的激发和饱和过程以及相应的物理机制；进一步理解地球外磁层中粒子注入和偶极化锋面造成ECH波动加强的物理原因和影响土星磁层中局地注入事件内外ECH波动谐波数的关键物理参数；并试图建立ECH饱和强度和等离子体参数的依赖关系。

电子回旋谐波 (ECH) 是在行星磁层中的一种常见静电波动，一般由电子损失锥分布函数对应的不稳定性激发。该波动在能量电子散射以及相关联的弥散极光形成中起重要作用。ECH波动的饱和机制存在着长久的争议。部分理论认为由非线性冷电子加热引起，而另一部分理论则认为与波动对电子散射引起的分布函数改变有关。对该饱和机制的理解有助于估计相应的饱和振幅，而波动的振幅是计算相关散射系数的重要参数；同时也有助于理解土星磁层中局地注入事件以及地球偶极化锋面附近ECH波动的增强。在之前的粒子模拟类研究中，因为计算资源的限制，通常使用环状分布函数来激发ECH波动，与实际观测不稳合。在本项目的资助下，取得了如下成果。1，通过自洽静电粒子模拟程序研究，首次使用了具有实际大小损失锥的热电子分布函数激发出多谐波的ECH波动。基于对波动饱和过程中电子分布函数的分析，推断ECH波动的饱和并非由对冷电子的非线性加热所引起，而是因为激发的ECH波动散射电子进入并填充了损失锥，从而引起自由能的减少。因此对该过程的理论应可使用成熟的经典准线性理论。因计算资源的需求过大，并未能按原计划建立基于粒子模拟的ECH波动饱和强度和等离子体参数的依赖关系。但对饱和机制的研究显示可以使用准线性理论建立简化模型，从而估计饱和振幅与线性增长率的关系。2，计算了大振幅的等离子体波动所引起的共振加宽扩散系数；表明之前非线性理论的共振加宽扩散系数尽管可以相对于准线性理论更好的描述相关系数，但共振宽度参数需要更准确地估计。3，在本项目的支持下，探索对地球磁层中的带状合声波进行分类。结果表明，与经典理解不同，双带结构的合声波的发生率仅仅是单带合声波的4倍左右，且两者磁地方时空间分布具有显著差异。该结果有助于进一步研究双带合声波的形成机制这一经典问题。