电离层人工ELF/VLF波对内磁层高能电子的散射效应

There has been increasing concern with resonant interaction of energetic electron with a variety plasma of waves in the magnetosphere. Both theoretical study and satellite observations have shown that ELF/VLF waves artificially excited by ionospheric modulated heating can also propagate upwards into the inner magnetosphere and contribute to wave-particle interactions. The project will firstly adopt the available satellite observation data in the ionospheric modulated heating experiments, as well as ray tracing method to obtain the propagation characteristics of these artificially generated ELF/VLF waves. Based on the real wave information, a test particle simulation will be implemented to study the resonant scattering of energetic electrons with these triggered ELF/VLF waves. It will investigate the dependence of pitch angle scattering and momentum diffusion on all controllable factors in the ionospheric modulated heating experiment, such as wave frequency、bandwidth、excitation latitude、 excitation wave vector direction、polarization mode、wave amplitude and so on. It will also evaluate the lifetime of the energetic electrons as a result of resonating and scattering with these triggered ELF/VLF waves in the typical ionospheric modulated heating experiments. Our results, for one thing, can be a useful aid to understanding of wave-particle resonant interaction in the magnetosphere, for another, has a good engineering significance in controlled precipitation of high-energy electrons in near-Earth environment and the protection of space probes.

磁层高能电子与各种天然等离子体波的共振相互作用是当前空间物理研究的热点之一。已有的理论研究和观测事实表明，电离层调制加热激励的人工ELF/VLF波也能进入地球内磁层并参与波粒相互作用。本项目采用电离层调制加热实验的卫星观测数据，结合射线追踪技术，真实获取电离层人工ELF/VLF波在内磁层的传播信息。在此基础上，针对人工波频率离散化的特点，利用试验粒子模拟方法研究电离层人工ELF/VLF波与内磁层高能电子的共振相互作用及其产生的散射和沉降效应，包括：量化分析电离层调制加热实验中的可控因素,如调制频率、带宽、激发纬度、激发波矢量方向、极化模式、波幅度等对高能电子散射率的影响；评估全球典型实验条件下高能电子经历人工ELF/VLF 波散射的生存周期。本项目研究不仅在科学上有助于加深对磁层高能电子运动机制的理解，同时对于人工影响磁层粒子辐射环境、中低轨道卫星等航天器的防护等具有重要的工程意义。

磁层高能电子与各种天然等离子体波的共振相互作用是当前空间物理研究的热点之一。已有的理论研究和观测事实表明，电离层调制加热激励的人工ELF/VLF波也能进入地球内磁层并参与波粒相互作用。本项目采用电离层调制加热实验的卫星观测数据，结合射线追踪技术，真实获取电离层人工ELF/VLF波在内磁层的传播信息。在此基础上，针对人工波频率离散化的特点，利用试验粒子模拟方法研究电离层人工ELF/VLF波与内磁层高能电子的共振相互作用及其产生的散射和沉降效应。本项目按照项目计划较好的完成了既定项目内容，主要结果可总结为三部分：（1）电离层调制加热激发的ELF/VLF波的基本传播特性。对电离层调制加热实验期间DEMETER卫星和Cluster卫星记录的大量电磁数据进行处理和分析，找到了多组人工ELF/VLF波的有效观测记录，这些观测数据提供了典型实验条件下人工ELF/VLF波的频率信息、波幅度、激发高度、能量分布等；（2）建立了一个全新的弹跳平均试验粒子模拟模型，并充分验证了模型的准确性；（3）基于卫星观测和射线追踪获取的人工ELF/VLF波在内磁层的传播特征，利用试验粒子模拟方法，分别研究了高纬度地区激发（例如HAARP等）的平行传播的人工ELF/VLF波和中低纬度激发（例如Arecibo）的高倾斜波传播的人工ELF/VLF波对外辐射带高能电子的共振散射效应，结果显示，高纬激发的人工ELF/VLF波对高能电子的投掷角和能量散射率都明显高于低纬激发的人工ELF/VLF波，但两者对赤道投掷角位于损失锥附近的高能电子都具有相当高的投掷角散射率，时间尺度可达天量级。此外，两者的能量散射效应都显著弱于投掷角散射效应，因此高能电子的人工散射沉降将以投掷角散射为主。详细的参量化研究还显示散射率与低频波频率、波幅度、电子能量、赤道投掷角等都有明确的相关性，这些对于开展相关实验具有一定的理论指导意义。本项目研究不仅在科学上有助于加深对磁层高能电子运动机制的理解，同时对于人工影响磁层粒子辐射环境、中低轨道卫星等航天器的防护等具有重要的工程意义。