磁层粒子回旋相位成束效应研究

In the middle of last century, the gyrophase bunching effect was found when people study the wave-particle interaction. It was demonstrated that the effect plays an important role for the excitation of the whistler mode wave. Recently, some numerical studies demonstrate that the EMIC wave can also cause the gyrophase bunching effect, which has a great influence on the pitch angle diffusion coefficient and the advection rate for the protons in the ring current. So the gyrophase bunching effect is significant in the dynamics of inner magnetosphere. Previous studies are mainly based on the numerical simulation. The present research proposal plans to use the Cluster, Double Star, THEMIS or RBSP data to study the gyrophase bunching effect, including the generation mechanism and a comparative study with the results of theory research. The research will focus on how the gyrophase bunching effect influence on the behavior of the ring current protons, and the possibility of the effect happing in the plasma sheet region.

上世纪中叶人们在研究波粒相互作用的过程中发现粒子可以发生回旋相位成束效应。这一非线性效应对于磁层哨声（whistler）波激发起到重要作用。最近的模拟研究表明电磁离子回旋（EMIC）波也可以导致这一现象的发生，并造成环电流质子的能量和投掷角的大量对流扩散过程，进而影响该区域粒子分布和总损失率的变化。因此，粒子回旋相位成束效应对于地球内磁层动力学研究具有重要科学意义。以往的研究主要是基于数值模拟方法。本课题计划利用Cluster、Double Star、THEMIS或RBSP等最新卫星探测数据，通过事件分析法探讨粒子回旋相位成束效应的具体形态结构、激发条件及其物理过程等，并与以往理论研究和数值模拟研究进行对比。重点研究其对环电流质子行为的影响，及在等离子体片等区域发生类似物理过程的可能性。

波粒相互作用现象在磁层空间中广泛存在，强烈影响着粒子的行为。粒子回旋相位成束效应是一种由波粒相互作用产生的特殊的非线性效应。具体表现为在回旋相空间里，粒子集中分布在有限的相位内。本课题利用卫星观测数据首次在内磁层中发现大量与电磁离子回旋波相伴随的离子回旋相位成束结构。该非线性效应仅在上世纪八十年代的太阳风观测中有过报道，在内磁层中的直接观测尚属首次。通过详细分析波动产生的背景等离子体条件以及离子在相空间中的演化，我们发现相位成束的离子与波动始终保持在很小的相位差（< 30°），表明波和离子处在紧密的共旋状态。电动相位群聚机制是离子相位成束结构形成的原因。我们利用数值模拟方法研究了内磁层电磁离子回旋波（包括氢带波、氦带波和氧带波）与质子和氧离子发生的波粒共振相互作用，以及由此造成的粒子非线性相位成束和相位捕获效应。研究发现当共振粒子为环电流质子时，相位成束效应会使质子的赤道投掷角与能量都降低，使质子减速并且总损失率比准线性理论的估计增加；相位捕获效应刚好相反。当共振粒子为环电流氧离子时，情况更为复杂。氧带波产生的非线性效应与氢带波或者氦带波刚好相反。首次发现氧带波与氧离子共振相互作用导致的相位捕获效应会使氧离子能量出现螺旋式增加。此外，还研究了辐射带电子与电磁离子回旋波的共振相互作用，相位成束效应会使电子的赤道投掷角增加而能量降低，并降低总损失率；相位捕获效应刚好相反。多种研究方法都表明非线性粒子回旋相位成束效应会对粒子行为的诸多方面产生影响，比如波粒共振、粒子加速加热以及投掷角扩散等非绝热过程，最终导致该区域粒子能量和密度分布的剧烈扰动，粒子大气沉降率发生变化等。该效应强烈的影响着内磁层粒子的分布情况，并与准线性理论的预期不尽相同，这使得相位成束效应成为建立精确的辐射带模型所需要考虑的因素。因此，粒子回旋相位成束效应对于地球内磁层动力学研究具有重要科学意义。