辐射带槽区高能电子衰减过程的观测和模拟研究

The dynamics in the slot region are determined by the competition between various injection, acceleration and loss processes. Understanding the contributions of different mechanisms is very important for predicting the space weather in the radiation belt region. Many theoretical works have suggested that plasmaspheric hiss waves are responsible for the loss of slot region electrons, but there are relatively few studies to make the quantitative comparison between simulation and observation. In this proposal, we plan to investigate the electron loss process in the slot region through the combination of observations and simulations: 1. Obtaining the statistical characteristics (e.g., amplitude, frequency distribution, normal angle distribution) of plasmaspheric hiss based on the observations of RBSP, and simulating the electron evolution driven by plasmaspheric hiss in the slot region; 2. Seeking the direct evidence for the precipitation loss of slot region electrons by plasmaspheric hiss based on the observations of NOAA and RBSP; 3. Investigating the competition/cooperation between hiss-driven loss and other mechanisms using the multidimensional radiation belt model STEERB. The implementation of this proposal will provide further understanding of the loss of slot region electrons, and contribute to the development of radiation belt forecasting models.

电子辐射带槽区在磁暴过程中存在复杂而剧烈的动态演化，这是多种注入、加速和损失机制相互竞争的结果。理解和区分其中不同物理机制的作用是研究和预报辐射带灾害性空间天气的关键任务。目前，许多理论工作表明嘶声波能引起槽区高能电子的损失，但缺乏直接观测和定量模拟的证据支持。本项目计划利用多卫星探测数据结合数值模拟的方法进行如下研究：1.统计槽区嘶声波事件,并提取波谱及相应背景等离子体关键参数，进而模拟槽区电子的损失特征；2.利用NOAA卫星与RBSP形成高、低轨道协同观测，获取嘶声波损失槽区电子的直接观测证据，定量验证模拟结果的可靠性；3.利用包含多物理过程的STEERB辐射带物理模型，比较嘶声波与其它物理机制的综合效应，评估嘶声波的损失作用对槽区整体演化的贡献。本项目的顺利执行将有助于深化理解槽区电子的衰减过程，为建立和完善辐射带空间天气预报模型提供前期研究基础。

地磁扰动期间辐射带和槽区中存在复杂而剧烈的能量粒子动态演化，这些过程往往会导致许多空间天气灾害效应，严重威胁着在轨航天器、卫星通讯和导航系统。辐射带和槽区中的动态变化是多种注入、加速和损失机制相互竞争的结果。理解和区分不同物理机制的作用是研究和预报灾害性空间天气的关键任务。目前，众多理论工作预期嘶声波能引起辐射带和槽区高能电子的损失，但缺乏定量的观测和模拟证据支持。本项目利用多卫星探测数据结合数值模拟的方法研究嘶声波对辐射带和槽区电子的损失的作用。此研究是建立和完善辐射带空间天气预报模型的关键研究内容和基础，为卫星安全运行提供保障。主要工作如下：.1.通过多卫星数据研究了辐射带和槽区嘶声波与其中能量电子衰减的相关性，进而基于准线性扩散理论模拟了嘶声波驱动下能量电子通量随投掷角的时间变化。通过定量对比分析发现嘶声波对电子的回旋共振效应是导致槽区高能电子损失的主要原因，这种机制直接导致了强磁暴后槽区的重新形成，为辐射带空间天气预报研究提供了重要的理论基础。.2.等离子体层嘶声能对地球辐射带高能电子产生有效的散射作用，统计结果表明它的典型频率在2kHz以下。基于范艾伦探测器观测数据，首次发现并报道了一次发生在亚暴期间、频率高达10 kHz的等离子体层嘶声事件。根据电磁波线性激发理论，研究了高频嘶声波的激发机理，并分析这种局地激发的高频嘶声波的全球分布特性及其对辐射带动态演化的影响。.