地球辐射带内磁声波的波粒相互作用研究

Magnetosonic (MS) waves are an important quasi-linearly polarized wave mode in the Earth's magnetosphere. Various In situ observations have shown that MS waves occur at frequencies between the proton cyclotron frequency (fcp) and the lower hybrid frequency (fLH), while MS waves are also found to be predominantly distributed with of the geomagnetic equator. MS waves have a nearly perpendicular propagating direction to the background magnetic field, which is quite different from other wave modes in Earth’s radiation belt. The significance of MS waves to the dynamics of magnetospheric particles has been comprehensively advanced in recent years： MS waves can affect energetic electrons by Landau resonance, transit-time effect and bounce resonance; while MS waves can influence ring current protons by cyclotron resonance and transit-time effect. Pitch angle diffusion coefficients and energy diffusion coefficients of particles could be modified by mechanism mentioned above. . We apply the test particle simulation for studying the wave-particle interaction between MS waves and charged particles in Earth's Radiation Belt. The results of theory analysis and numerical simulation will be used to explain the satellite observation results related on MS waves.

磁声波是地球磁层内一种重要的准线性极化波模，其频率分布在质子回旋频率到低混杂频率之间，空间主要分布在磁赤道附近。不同于辐射带内其他几种主要波动，磁声波的传播方向主要是垂直于地球背景磁场传播。现有研究表明，磁声波与辐射带带电粒子存在着丰富的波粒相互作用，磁声波影响高能电子的主要物理机制包括：朗道共振，transit-time 效应以及弹跳共振这三种方式；磁声波影响环电流质子的主要物理机制包括：回旋共振和transit-time 效应两种方式。 磁声波能通过以上几种物理过程同时改变带电粒子的投掷角和能量扩散系数。. 本项目主要依靠试验粒子数值方法来统一研究磁声波与辐射带带电粒子的波粒相互作用，给出磁声波波粒相互作用的完整物理图像,并尝试使用理论和模拟结果来解释卫星观测的磁声波物理现象。

磁声波是地球内磁层中的重要电磁波动，能够通过波粒相互作用影响辐射带带电粒子的动力学过程，对于理解辐射带粒子的通量变化有着重要意义。. 通过建立模型和分析VAP卫星数据，本项目分别研究了磁声波对辐射带电子和环电流质子的波粒相互作用以及相关物理机制。. 我们发现，(1) 磁声波能够通过朗道共振、弹跳共振和通过时间效应等多种机制同时影响电子，且多种机制之间存在相互竞争并在扩散效果之外产生额外的对流效应，所产生的净扩散系数比单一机制预期的扩散系数要低一个数量级以上。进一步对比模拟和观测结果发现，磁声波能够使辐射带电子产生投掷角蝴蝶状分布，该作用在磁层顶外的低密度区尤其重要；(2) 磁声波能够通过多阶回旋共振和通过时间效应来加速环电流质子，尤其是对高投掷角质子有着重要影响，该加速过程对于磁层顶外的质子分布函数变化非常重要。. 我们的理论分析、数值模拟和观测统计结果表明，内磁层中的磁声波能够显著影响辐射带带电粒子的通量变化，尤其是对辐射带电子的蝴蝶状分布产生和环电流质子的加速过程，有着重要意义。