kappa空间等离子体中哨声波非稳定性与传播特性的研究

Current works have shown that interaction between whistler mode waves and energetic electrons is one of the primary mechanisms for the acceleration and pitch angle scattering of radiation belt energetic electrons. Such wave-particle interaction is found to depend on the instability, propagation and the spatial distribution of whistler mode waves. However, observations of the instability and the spatial distribution of whistler mode waves are currently scarce. Here, we plan to develop a three-dimensional ray-tracing model. By incorporating data treatment,theoretical analysis and numerical simulation, we shall study the internal condition for instability of whistler mode waves in kappa space plasmas, and systematically analyze the propagation and the spatial distribution of whistler mode waves in the Earth's radiation belts under different geomagnetic activities. This work will provide a foundation to the further research on the dynamic evolution of energetic electrons induced by the interaction between whistler mode waves and energetic electrons in the Earth's radiation belts.

目前工作表明，哨声波与高能电子的相互作用是产生辐射带高能电子随机加速和投掷角扩散过程的主要机制之一。这种波-粒相互作用的强度取决于哨声波的非稳定性幅度和传播特性以及空间分布。但有关哨声波的非稳定性和全球性空间分布特性的相关观测数据很少。在此，我们计划建立三维的电磁波激发和路径跟踪模型，整合观测数据，数值模拟和理论分析，具体研究高热（kappa） 等离子体中哨声波非稳定性的基本内在条件，系统分析不同地磁活动条件下地球辐射带区域kappa等离子体中哨声波的传播特性和空间分布规律。为进一步研究辐射带哨声波与高能电子相互作用产生的高能电子动力学演化过程提供前期基础。

哨声波（合声波、嘶声波和快磁声波）与高能电子的相互作用是产生辐射带高能电子随机加速和投掷角扩散过程的主要机制之一。这种波-粒相互作用的强度取决于哨声波的非稳定性幅度和传播特性以及空间分布。本项目系统研究了高热(kappa)空间等离子体中哨声波的非稳定性内在条件；基于三维电磁波路径跟踪模型分析了哨声波的传播特性；整合观测数据、理论分析和数值模拟，研究了地球外辐射带区域哨声波的空间分布规律；通过求解包含绝热过程，径向扩散和波-粒相互作用等机制的三维Fokker-Planck方程，研究了哨声波与电子相互作用引起的高能电子随机加速等物理过程。主要的研究结果包括：（1）外辐射带高热等离子体中各向异性的热电子能有效激发哨声模合声波。合声波的增长率在平行传播时最大。在斜传播时，由于朗道阻尼的作用，合声波的增长率随着倾斜程度的增加而急剧降低。初始传播角约等于0（平行传播）或180°（反平行传播）的合声波具有最大的路径积分增益。（2）哨声模合声波主要分布在等离子体层顶以外。夜侧到凌晨区域的哨声模合声波在磁纬度15°以下的空间范围内强度最高，与卫星观测的统计结果一致。（3）哨声模合声波在传播过程中有可能穿过等离子体边界层，进入等离子体层内部，并在等离子体层内发生多次反射，演化为哨声模嘶声波。（4）哨声模合声波与电子的相互作用能够有效加速外辐射带高能电子；种子电子注入、哨声模合声波与哨声模嘶声波的传播角变化对外辐射带高能电子动力学演化有重要影响；哨声模合声波与快磁声波的共同加速能导致外辐射带相对论电子通量反常蝴蝶型分布。上述工作有助于理解不同地磁活动期哨声波的全球分布特征及演化规律，为进一步建立基于实际卫星探测结果的哨声波波时空演化模型，以及研究辐射带哨声波与高能电子相互作用产生的高能电子动力学演化过程打下了基础。