等离子体层顶对超低频波的作用

ULF waves in the inner magnetosphere can have significant influence on energetic particle transport and acceleration. Sharp density gradients at the plasmapause can affect the generation and propagation of ULF waves. Especially, we have recently proposed the mechanism of the generation of ULF waves by the coupling between plasmapause surface wave and field line resonance. Further investigation is required to better understand the mechanism. The THEMIS mission provides unique opportunities to analyze electric and magnetic field measurements in order to derive many of the characteristics of ULF waves. In this project we propose to use THEMIS observations to investigate the characteristics of ULF pulsations around the plasmapause with both electric and magnetic field measurements. Specifically, we strive to address the follow objectives: a) Investigation of the coupling between plasmapause surface wave and field line resonance; b) Investigation of the effect of the plasmapause on the excitation of cavity mode ULF waves; c) Investigation of the difference between the characteristics of the ULF waves outside and inside the plasmapause and its effects on wave-particle interaction.

内磁层中的超低频波作为辐射带能量电子加速的机制之一，一直是磁层物理研究的热点。等离子体层顶处的密度梯度可能对内磁层中超低频波的产生和传播产生重要的影响，尤其是申请人在最近的工作提出等离子体层顶表面波可能与磁力线共振耦合从而激发超低频波，这个机制需要我们进一步的分析和研究。THEMIS卫星搭载了高质量的磁场、电场、等离子体和能量粒子探测仪器，其轨道穿越内磁层，为内磁层中超低频波的研究提供了大量可靠的观测数据。本课题计划利用THEMIS计划的多颗卫星探测数据对等离子体层顶周围的超低频波性质进行详细的研究，争取在下面三个方面取得重要进展：（1）等离子体层顶表面波与磁力线共振的耦合机制；（2）等离子体层顶在共振腔模超低频波激发中的作用；（3）等离子体层顶内外超低频波性质的差异及其对辐射带能量电子的影响。

内磁层中的超低频波是辐射带高能粒子输运、加速和损失的主要机制，最近的研究成果表明等离子体层顶对超低频波的激发和分布有着重要的作用。该项目针对相关问题进行了深入的研究，获得了一系列的研究成果：（1）提出了等离子体层顶表面波是等离子层顶附近的超低频波的新激发机制，揭示了等离子体层顶边界层中等离子体密度调制超低频波的物理过程；（2）建立了动态等离子体层顶预报模型，为研究等离子体层顶对超低频波和内磁层动力学的控制作用提供了重要的参考依据；（3）结合THEMIS和Cluster卫星观测数据首次获得了内磁层超低频波的完整三维全球分布，为进一步研究辐射带径向传输和超低频波磁力线驻点结构提供了重要的观测数据，并建立了能量相关的辐射带径向扩散系数模型。在本项目的资助下在国内外顶级期刊上发表了8篇SCI论文，其中包括2篇GRL和4篇JGR论文，研究成果获得了国际同行的关注，2016年发表的GRL论文被评为当年ESI高被引论文，两次在国际学术会议上做特邀报告，该项目的负责人获得了2014年第31届国际无线电联盟大会的青年科学家奖。