外辐射带波粒相互作用的协同观测分析与数值模拟

Wave-particle interaction particularly gyro-resonance between whistler waves and energetic electrons, plays an important role in stochastic acceleration and pitch angle scattering of outer radiation belt energetic electrons. However, due to limitation of observational conditions, there are currently very little correlated data of energetic electrons and electromagnetic waves. This prevents to a great.extent people from deeply understanding dynamic variation of outer radiation belt energetic electrons. In this proposal, we shall combine treatment of multi-satellite data, the realistic background density model, theoretical analysis and numerical simulation. We shall primarily study spatial distribution，instability and propagation of whistler-mode chorus and hiss waves. We intend to solve the Fokker-Planck diffusion equation and investigate the scattering in energy and pitch angle of outer radiation belt energetic particles driven by chorus and hiss waves.

波粒相互作用特别是哨声波与高能电子的相互作用，对外辐射带高能电子随机加速和投掷角扩散过程起重要作用。但目前由于观测条件的限制，有关高能电子与电磁波的协同观测数据非常有限，相当程度上阻碍了人们对外辐射带高能电子变化过程的深入了解。本项申请主要是通过多卫星协同观测数据分析与处理，采用真实的背景粒子密度模型，结合理论分析和数值模拟，着重研究哨声波合声模与嘶声模的传播特性，不稳定过程以及空间分布；具体求解控制Fokker-Planck动力学方程，深入研究以上两种波模产生的外辐射带高能电子能量扩散和投掷角扩散过程。

利用多卫星协同观测数据分析与处理，结合理论分析和数值模拟，主要研究了辐射带中哨声波合声模和嘶声模等波模的传播特性，不稳定过程以及空间分布，以及产生的高能电子随机加速和投掷角扩散过程。研究表明：几十到百keV的各向异型的能量电子是产生哨声波合声模的主要途径，哨声波合声模场向传播时增长率最大，波沿磁力线北向或南向传播时，在高纬度反弹，之后远离地球（低频率波）或朝向地球（高频率波）传播；在辐射带中存在合声模加速和嘶声模损失两种相互竞争的机制；等离子体层外合声波可以传播到离子体层内并进一步演变为嘶声波。同时进行了观测数据与数值模拟的结合研究，数值模拟结果重现了辐射带高能粒子的演化过程，这些研究有助于建立两种波模对高能电子动力学演化的初步动态模型。