辐射带电子沉降的数值研究

Radiation belt electron dynamics is an important part of the space weather research because of the potential hazard these high energy (~MeV) electrons pose to spacecraft. While previous radiation belt research mainly focused on the acceleration of relativistic electrons, the role of electron loss in controlling radiation belt electron variability has gained significant interest in recent years. Pitch-angle scattering by electromagnetic ion cyclotron waves (EMIC), hiss,whistler-mode chorus waves and large amplitude coherent whistler waves has been suggested as an important mechanism of the loss of radiation belt electrons. The previous theoretical calculation of the loss rate due to pitch-angle scattering was largely based on quasilinear theory. Nonlinear interactions, however, have been shown to be potentially important to correctly describe radiation belt electron dynamics and cannot be modeled by quasilinear theory. Here we propose a series of studies to better understand the role of wave particle interactions in radiation belt electron loss. First, we plan to use test-particle simulations to investigate the importance of nonlinear interactions in the precipitation of radiation belt electrons. We will compare energy spectra of precipitating electrons due to nonlinear interactions with predictions from quasilinear theory. Second, we will systematically characterize the energy spectra of precipitating electrons from interactions with different plasma waves with nonlinear interactions included. The waves to be considered include EMIC, hiss, chorus, and large amplitude coherent whistler waves. Third, we will compare simulation results with coordinated observations from the recently launched Van Allen Probes, which can provide electron distributions from space, and the BARREL mission, which measures the precipitation of relativistic electrons using an array of balloons. The precipitating electron energy spectra obtained from our test particle simulation will be compared with observations to infer the role of nonlinear wave particle interactions in radiation belt electron dynamics and the relative roles of different plasma waves in causing the electron precipitation. The proposed study is important to understand how wave particle interactions contribute to the radiation belt electron loss.

辐射带高能（～MeV）电子可以对飞行器造成危害，其动力学过程是空间天气研究的一个重要部分。等离子体波动与电子共振作用被认为是辐射带高能电子加速与丢失的一个重要机制。过去描述波动造成的电子加速与丢失的定量分析主要使用准线性理论。但最新的研究显示，大幅度相干等离子体波造成的电子非线性运动可能在辐射带电子加速过程中扮演重要角色。针对该非线性运动在辐射带电子沉降中重要性的研究比较缺乏，本项目使用测试粒子模拟方法，结合观测结果，研究大幅度相干波动造成的电子非线性运动对辐射带电子沉降的影响，并探索通过反演揭示其在辐射带电子动力学过程中的重要性。我们还将系统地分析几种重要的等离子体波动对电子沉降的相对贡献，这包括电磁离子回旋波，嘶声，合声, 以及大幅度相干哨声波。该研究对揭示等离子体波动造成的电子沉降在辐射带电子通量降低过程中的作用具有重要意义。

本项目的研究背景在于通过数值与理论的方法，研究不同种类等离子体波动以及非线性动力学过程在电子沉降过程中的作用。通过本项目的支持，我们取得了以下几点主要研究结果。1，通过结合层方法与保正和保单调性高精度插值算法，提出了求解辐射带电子输运方程的高效保正解法，并推广至三维模拟。该方法的主要优点是在效率与一般数值解法相当的情况下，避免一般解法出现的非物理的振荡解和相空间密度为负的情况。可以用于模拟辐射带电子的加速与沉降过程。2, 理论推导了适用于实际波动分布的弹跳共振扩散系数。之前的弹跳共振理论假设等离子体波动在空间上覆盖整个粒子轨道，且南北半球波动的角分布一致。而实际的等离子体波动往往具有有限空间分布，且源位于赤道面附近，所以南北半球波动的角分布并不一致。因此之前的理论弹跳共振扩散系数并不能直接应用于实际的等离子体波动。在本项目的支持下，我们推导了适用于有限空间分布且源位于赤道附近的等离子体波动所引起的弹跳共振扩散系数。将该弹跳共振扩散系数应用于磁声波，表明弹跳共振可以引起90度投掷角的电子散射。如果与其它波动相结合，可能引起90度投掷角电子通量通过电子沉降的方式降低，因此在辐射带电子动力学过程中扮演重要角色。3，之前的研究表明高度相干的合声波可以引起电子的快速沉降，而合声波的持续时间是其中一重要因素。我们统计了合声波的持续时长，并解释了该时长日夜不对称性的原因。4，通过观测发现了三波耦合所引起的下带斜传播合声波。之前的研究表明，相比于平行传播的合声波，斜传播的合声波可能更易引起电子的沉降。我们通过一事例首次展示了三波耦合所产生的下带斜传播合声波动，并解释了三波的性质对下带合声波的扫频方向的影响。这些研究成果对进一步理解波粒相互作用引起的电子沉降及其物理机制有重要意义。