地球磁层中磁声波的激发及其对带电粒子的作用

Magnetosonic waves are ubiquitous ELF/VLF emissions in the Earth’s inner magnetosphere, which have played a key role in the evolution of Van Allen radiation belt. Recently, the high-resolution satellite observations have shown that magnetosonic waves can not only have a discrete spectrum, where the waves are emitted at frequencies corresponding to exact multiples of the proton gyrofrequency, but also show a continuous spectrum. Besides, the statistical results have shown the differences between low-harmonic and high-harmonic magnetosonic waves. In this project, by employing observations by THEMIS and Van Allen Probe, the linear theory, and particle simulation methods, we try to investigate the generation mechanisms of different spectral structures of magnetosonic waves, the effects of inhomogeneity of background magnetic fields on the generation process of magnetosonic waves, and the interactions with ions and electrons in the inner magnetosphere. This work will be beneficial for our understanding of the excitation and evolution of magnetosonic waves.

磁声波是地球内磁层中一种普遍存在的甚低频电磁信号，其在地球辐射带相对论电子的演化过程中扮演重要的角色。近些年的高分辨率的卫星观测结果发现，磁声波既可以以质子回旋频率的高阶谐波的分立谱形式存在，又可以呈现出宽频段的连续谱的形态。此外，卫星观测的统计结果还发现，较高频谐波和较低频谐波具有不同的性质。本项目拟采用THEMIS卫星和Van Allen Probe卫星的观测数据，线性理论，和粒子模拟方法，来研究地球磁层中的磁声波的不同频谱结构的形成机制，磁场不均匀性对磁声波激发的影响，以及磁声波对地球磁层中离子和电子的作用。这个研究将会促进我们对磁声波的激发和演化的深入理解。

磁声波（即离子Bernstein波）是地球磁层中重要的等离子体波动，能够加速和散射辐射带的高能电子。传统观点认为磁声波具有间断的波谱形态，并且位于质子回旋频率的谐波。但是，最新的卫星（范艾伦探测器）数据显示，磁声波有时会呈现连续的波谱形态。此外，磁层中还会看到极低频的磁声波，这些波动不能够被线性理论来解释。这意味着我们对磁声波的认识仍然存在很大的不足。另外，在地球偶极子场位型下的磁声波的激发和传播是怎样的，这都是我们要研究的问题。本人与合作者联合一维全粒子模拟程序和线性理论模型，深入探究调控磁声波波谱形态的物理机制。我们提出，当磁声波的增长率超过一定阈值时，不同谐波之间将会合并成连续的波谱。不仅如此，传播角较小的磁声波更容易呈现连续的波谱结构。我们还发现，在磁声波激发的过程中，背景冷质子在垂直磁场方向上被加热，而冷电子能够在平行方向上被加速。此外，本人还利用了二维模拟程序，实现了极低频的磁声波的激发，其主要是通过较高频磁声波的波波耦合来实现的。在均匀背景磁场的全粒子模拟程序基础上，本人与合作者开发了二维曲线坐标的全粒子模拟程序，并且首次实现了偶极子场下的磁声波的激发、传播、以及对背景冷等离子体的加热。我们的研究成果成功的解释了磁层中磁声波的波谱特征，为深入理解磁声波和等离子体相互作用提供了理论支持。