辐射带快磁声波全球分布特征的多卫星观测分析与数值模拟

Fast magnetosonic waves are electromagnetic emissions occurred at frequencies between the proton gyrofrequency and the lower hybrid frequency (which are different from the fast magnetosonic waves in magnetic hydrodynamics meaning). They are excited by proton ring distributions and play an important role in the dynamics of radiation belt energetic electrons. However, the global distribution and evolution of fast magnetosonic waves still require systematical and deep research. Equipped with the electric field instrument, magnetic field instruments, and particle instruments, Van Allen probes and THEMIS spacecrafts offer an excellent opportunity to investigate the global distribution and evolution of fast magnetosonic waves in the radiation belt. In this proposal, we shall study the global distribution of fast magnetosonic waves and proton rings during different geomagnetic activities by using detection data from Van Allen probes and THEMIS spacecrafts. We shall develop a three-dimensional ray-tracing model and the instability model of electromagnetic waves in space plasmas, and analyze the propagation and the instability process of fast magnetosonic waves. We plan to develop a model of the spatiotemporal evolution of fast magnetosonic waves.

快磁声波是一种频率介于质子回旋频率与低混杂频率之间的电磁波（不同于磁流体力学意义上的快磁声波），由质子环分布激发，在辐射带高能电子的动力学演化过程起重要作用。但是其全球分布特征及演化规律还有待系统深入研究。美国发射的Van Allen和THEMIS系列卫星搭载了能够探测空间电磁场电磁波和带电粒子的多个探测仪器，为研究地球辐射带的快磁声波全球分布与演化提供了很好的机会。本项目主要利用Van Allen和THEMIS卫星的探测数据，统计分析不同地磁活动期间快磁声波与质子环分布的全球分布特性；构建适用于磁层空间等离子体中快磁声波的三维电磁波路径跟踪模型和不稳定性模型，深入研究快磁声波的传播特性和不稳定性过程；并初步建立基于实际卫星探测结果的快磁声波时空演化模型。

快磁声波能够导致高能电子的加速或投掷角扩散，以及能量质子的投掷角扩散，从而显著地影响辐射带高能带电粒子的动态过程。本项目基于卫星探测数据对快磁声波和质子环分布的全球分布特征进行了统计分析，构建空间等离子体电磁波不稳定性模型和三维路径跟踪模型研究了快磁声波不稳定性和传播特性对其空间分布的影响，初步建立基于实际卫星探测结果的快磁声波时空演化模型。主要的研究结果包括：（1）等离子体层顶外质子环分布所激发的快磁声波可以向地球方向传播，进入等离子体层，并逐渐转向改为向外传播。（2）在中低密度空间等离子体中，当快磁声波传播角≥88°时必须使用完整色散关系来计算其与正离子的最小共振能量。快磁声波与离子的最小共振能量随传播角增大而增大。（3）大部分快磁声波出现在赤道面附近，其中78%出现在磁纬0±5.5°以内，而质子环分布在不同磁纬的百分比没有显著区别。结合对快磁声波的不稳定性和传播特性，快磁声波和质子环分布的磁纬分布差异主要原因是快磁声波被激发后在传播过程中将发生多次磁层反射，倾向于在赤道面附近传播。（4）大部分快磁声波出现在日侧，在日侧2.5<L<5.5区域的发生率大于25%。而质子环分布主要在日侧L>5区域被观测到。快磁声波在地磁平静期间主要出现在L=4.0–5.5区域，在地磁活动期间则扩展到L=1.5–5.5区域均常见。质子环分布在地磁平静期间主要出现在L>5的日侧；在地磁活动期间可以在更靠近地球处观测到。快磁声波时空演化模型表明在地磁活动期间有更高比例的快磁声波能够从等离子体层顶外传播到等离子体层内。上述研究工作为进一步研究快磁声波驱动的辐射带电子动力学演化打下了基础。