地球辐射带高能电子绝热不变量空间分布函数变化特征研究

The relativistic electrons flux increase constitute a serious potential hazard to space-borne systems. Radial diffusion and local acceleration caused by wave-particle interaction are considered to be the main mechanisms of energetic electrons acceleration. However, the current studies on energetic electrons focus on the flux in the observation space (energy, pitch angle and position), and few attention is putted on how to distinguish and refine these mechanisms in the energetic electrons acceleration process. Distribution function of adiabatic invariant space (phase space density, PSD) is an effective method to distinguish radial diffusion from local acceleration. In this proposal, we shall utilize observation data of scientific satellites to transfer the observation space (energy, pitch angle and position) to the adiabatic invariant space, and establish the PSD calculation model. We shall study the calculation error caused by different fitting function of differential flux in this model, and analyze the influence of different geomagnetic model on the PSD radial distribution and variation characteristics. Combined with the synchronous observation data of seed electrons and plasma waves, we intend to investigate the statistical correlation features between the excitation and enhancement of waves and the PSD distribution of relativistic electrons.

地球辐射带高能电子通量增涨会对在轨航天系统产生重大威胁。径向扩散和波粒相互作用导致的局地加速被认为是高能电子最为主要的两种加速机制，然而目前对高能电子的研究着重于可测量空间(能量、投掷角、位置量)的通量变化，对如何区分和细化这两种机制在同一加速过程中的具体作用缺少系统研究。绝热不变量空间的分布函数（相空间密度）是区分这两种机制的有效手段。本项申请主要是利用科学卫星观测数据，研究将可观测空间变换至绝热不变量空间的计算方法，建立相应的相空间密度计算模型，分析微分通量拟合函数引入的相空间密度计算误差；融合多种地磁模型，深入分析不同地磁数据对想空间密度径向分布及变化特征计算结果的影响；结合能量电子和等离子体波同步观测数据，研究等离子体波的激发、增强与高能电子相空间密度变化特征的统计特性。

地球辐射带高能电子通量急剧增长能够引发空间天气灾害事件。径向扩散和波粒相互作用导致的局地加速被认为是导致高能电子加速的两种主要机制。通过计算和分析高能电子绝热不变量空间分布函数的变化特征，我们能够区分和细化这两种机制在电子加速过程中的作用。本项目系统研究了绝热不变量空间分布函数的计算方法；并利用绝热不变量空间分布函数的径向分布特征，研究了径向扩散和局地加速两种不同加速机制在辐射带电子通量演化中的作用；利用能量电子和热电子的分布函数研究了多种等离子体波动的激发机制。主要的研究结果包括：（1）通过对相空间密度径向分布的分析，提出了一种新的径向扩散与局地加速在辐射带中相互作用的过程：局地加速在高磁壳处先对种子电子加速，随后径向扩散机制导致辐射带相对论电子相空间密度（通量）的极速增长。（2）观测并模拟了近连续分布的合声模对辐射带高能电子的局地加速作用，证实了平行传播和斜传播的哨声波合声模同时与电子回旋共振时，在投掷角45°-80°处均能够产生更为有效的加速，即对应恒定的第二绝热不变量，将有较宽能量(第一绝热不变量)范围内的电子获得加速。（3）提出了直接利用四卫星结构任务的波形观测数据，得到EMIC波矢及其最小电子共振能量的方法，为研究局地加速过程提供新的技术手段。（4）通过观测和数值模拟的对比，首次证实了相对论KAPPA分布函数能够更好地描述电子在高能部分的分布特征，从而有更多的高能量电子（>100 keV）能够为激发极低频合声波提供自由能。（5）利用各种分布函数，研究了其他多种等离子体波动，包括日侧合声波、静电电子回旋谐波和极光千米辐射的激发与能量电子、超热电子分布之间的关系。上述工作能够深化我们对辐射带电子加速机制、加速过程的理解，拓展对内磁层等离子体波不稳定性和波粒相互作用的认知，为进一步研究辐射带电子动态演化过程、完善空间天气预报模型打下了基础。