辐射带高能电子蝴蝶状投掷角分布及其动力学效应的研究

Pitch Angle distribution is one of the most important parameters of radiation belts model and plays a key role in radiation belt particle dynamics. Recent Van Allen Probes measurements show that the butterfly pitch angle distribution widely exists in the inner and outer radiation belts and the slot region. The presence of butterfly pitch angle distribution is conductive to the chorus-driven acceleration of radiation belt electrons, and also beneficial to the electron loss by the interaction of EMIC waves. Study of the butterfly pitch angle distribution characteristics and its formation mechanisms is necessary and of great importance for the understanding of radiation belt electron acceleration and loss process, as well as establishing the distribution and forecast model of radiation belt electrons. This project aims to make a comprehensive study in this aspect, by constructing a butterfly pitch angle distribution statistical model based on the Van Allen Probes measurements, revealing the formation mechanisms of the butterfly distribution under different conditions by test particle simulation, with a especial attention on how the background magnetic field changes (e.g., ULF waves) lead to the butterfly distribution, and then further exploring the effectiveness of multi-waves (magnetosonic, ULF, chorus and EMIC waves) synergy on the radiation belt electron acceleration and loss.

带电粒子投掷角分布是构建辐射带模型的重要参数，是决定辐射带动力学变化的一个关键因素。Van Allen Probes卫星的最新观测发现，内、外辐射带和槽区都广泛存在电子的蝴蝶状投掷角分布，这种分布既有利于促进合声波对电子的加速效应，也有利于增强电磁离子回旋波（EMIC）对电子的损失效应。了解不同能量的电子蝴蝶状投掷角分布的空间分布特征和形成的物理机制，对于深入研究辐射带电子的加速和损失过程，并最终建立辐射带电子的分布和预报模型十分必要和极其重要。本项目通过分析Van Allen Probes卫星的观测数据，构建辐射带蝴蝶状投掷角分布的统计模型。同时结合试验粒子模拟计算，探寻不同条件下产生蝴蝶状投掷角分布的机制，揭示背景磁场变化（如ULF波）导致蝴蝶状分布的新机理，并进而探索磁声波或背景磁场变化（如ULF波）与合声波、EMIC波协同作用对辐射带电子的加速与损失的有效性。

我们使用试验粒子模拟方法，并基于Van Allen Probes卫星的观测数据，对外辐射带能量电子蝴蝶状投掷角分布事件做了细致模拟和观测。结果表明电子的径向输运对电子投掷角分布的改变起决定性作用，当局地磁场的减弱时可以导致辐射带能量电子的蝴蝶状投掷角分布。我们利用范阿伦卫星的观测数据，统计研究了能量电子蝴蝶状投掷角发生率的全球分布。统计结果表明，电子蝴蝶状投掷角主要分布在4.5<L<6的黄昏侧至午夜，出现率峰值出现在黄昏侧赤道附近。由于磁声波能够在磁层内部产生辐射带电子蝴蝶分布，因此我们使用测试粒子模拟对MS波-电子相互作用进行了全面的参数化模拟和研究。MS波引起的电子散射对磁声波传播角非常敏感，90°传播角以外的MS波散射电子效率更高。通过对扩散系数和电子相空间密度演化的模拟，我们发现MS波在等离子体层内部很容易产生电子蝶形分布。最后，我们利用 Van Allen Probes 卫星多年的观测数据，系统分析了不同能量的电子的蝴蝶状投掷角分布特征。并将Van Allen Probes卫星不同能量的电子投掷角的通量分布数据投影到赤道面后，通过多响应线性回归模型对外辐射带赤道面电子投掷角的分布进行了拟合与预测。