基于经典Kennel-Petschek理论的等离子体层嘶声激发机制研究

This project will study the effect of wave-particle interaction on the generation of plasmaspheric hiss based on the classic and significant Kennel-Petschek (KP) theory. Based on the measurements of Van Allen Probes, the pitch angle distribution of energetic electrons in the Earth’s radiation belts and its characteristics will be extracted and used as inputs to the KP numerical simulations. The electron limiting spectrum is calculated using the KP numerical model and compared with the realistic measurements, which can be an indication of the generation region of plasmaspheric hiss. Quantitative comparisons of the hiss occurrence pattern and the ratio between observed and modelled electron limiting fluxes will be implemented to investigate the exact role that wave-particle interactions play in the generation process of plasmaspheric hiss and its relative contribution as well.

等离子体层嘶声的起源一般认为主要有以下几种可能：大气层雷电、电子的各向异性分布以及从等离子体层外传播进入等离子体层内的Chorus。本项目拟从经典的Kennel-Petschek（KP）理论角度分析波粒相互作用在等离子体层嘶声的激发中的相对重要性。基于Van Allen Probes卫星的观测数据，提取辐射带电子的投掷角分布，统计其时空特性，以此作为KP数值模型的输入，计算电子通量的分布上限，对比实测电子通量，得到波可能被激发的区域。统计等离子体层嘶声的发生率，对比KP理论与实测数据的比率，探讨波粒相互作用在等离子体层嘶声激发中的相对重要性。

等离子体层嘶声的起源一般认为主要有以下几种可能：大气层雷电、电子的各向异性分布以及从等离子体层外传播进入等离子体层内的和声波。而嘶声主要的产生机制仍是有争议的热点问题。本研究利用Van Allen Probes的高分辨率波场数据给出等离子体层嘶声的分布特性，结合观测到的电子通量的增强以及理论计算的增长率分析嘶声的激发机制。首先统计了频率小于100Hz的低频等离子体层嘶声，发现与低频嘶声相关的电子通量一般明显大于与低频嘶声不相关的电子通量，这与嘶声的局地激发理论符合。其次分析了一个电子通量变化对嘶声强度调制的典型事例。Van Allen Probe B观测到嘶声主要由局地电子通量的增大和电子的各向异性导致；相比于背景等离子体密度电子通量的周期性变化对嘶声强度的变化起到更重要的作用；而电子通量的周期性变化主要有磁层甚低频波在电子漂移方向上对电子的加速引起；另一卫星Van Allen Probe A在较低高度上同样观测到嘶声的增强，但其强度变化主要由背景等离子体密度引起。此研究首次给出了电子通量对嘶声强度的调制，为局地激发机制提供了重要证据。另外，我们利用Van Allen Probes 从2012到2017年5年的观测数据，分析了等离子体层及等离子体羽中嘶声的强度和发生率随地磁活动指数、磁地方时、L值以及地磁纬度的变化，根据波的传播方向的特性，将嘶声波分为四类，并研究了不同类的嘶声的可能激发机制，这些结果为嘶声产生机制理论的发展提供了重要观测依据，也为嘶声与电子的波粒相互作用理论提供重要的经验模型。