内磁层超低频波建模

There exist abundant Very-Low-Frequency (VLF) waves in the Earth’s inner magnetosphere such as chorus, hiss, and fast magnetosonic waves. These waves can significantly affect the dynamics of energetic electrons in the Van Allen radiation belts, and consequently influence the space weather and human space activity. Understanding the interaction between energetic electrons and VLF waves, therefore, is an important topic. So far, the interaction between energetic electrons and VLF waves is mainly studied by using the simulation method. In previous simulations, the amplitude and propagation angle of VLF waves are assumed to follow a Gaussian distribution. Whether such an assumption is reliable still needs to be verified. In this way, it is necessary to construct a model for VLF waves by using spacecraft measurements instead of the Gaussian distribution. In this project, we will use the THEMIS measurements during 2007-2012 to construct a model for VLF waves in the Earth’s inner magnetosphere (3<L<10). Specifically, we will (1) construct a model for the amplitude and wave angle of chorus; (2) construct a model for the amplitude and wave angle of hiss; and (3) construct a model for the amplitude and wave angle of magnetosonic waves. These models include the magnetic local time (MLT), magnetic latitude (MLAT), Lshell, AE, and Dst index; they will significantly improve our ability to simulate radiation belts and forecast space weather.

地球内磁层中存在着丰富的超低频波，例如合声、嘶声、以及快磁声波。这些波能显著改变地球辐射带高能电子的特性，从而影响空间天气以及人类的太空探索活动。了解超低频波与高能电子之间的相互作用因此就显得极为重要。到目前为止，超低频波与高能电子相互作用的研究基本上都是使用数值模拟的方法。在已有的数值模型中，科学家们假定超低频波的振幅和传播角服从高斯分布。这样的假设是否合理还需要验证。因此有必要建立一个真实的超低频波模型，用来代替之前的高斯分布。本项目拟用THEMIS卫星2007-2012年的探测数据，建立内磁层(3<L<10)超低频波的模型。具体内容包括：(1)合声的振幅和传播角的模型；(2)嘶声的振幅和传播角的模型；(3)快磁声波的振幅和传播角的模型。这些模型中包含磁地方时, 磁纬，径向距离，地磁指数等信息，它们将为辐射带的数值模拟和空间天气预报提供强有力的帮助。

地球内磁层中的超低频波能显著改变地球辐射带高能电子的通量，从而影响地球附近的空间环境。因此，了解内磁层中超低频波的特性十分有必要。针对这一问题，我们分析了THEMIS, Cluster以及MMS卫星的数据。我们首次在内磁层中发现了离散升调的快磁声波，并指出这种波是由非线性波粒相互作用产生的。这一发现改变了过去60年来人们对快磁声波的传统认识，开启了快磁声波研究的新方向。此外，我们还对比分析了内磁层通量堆积区的哨声波和中磁尾通量堆积区的哨声波的区别。我们发现前者是离散周期性的，而后者是杂乱无结构的，同时我们指出这种差异是由磁场不均匀性造成的。这一发现为内磁层哨声波和磁尾哨声波的对比研究打下了很好的基础。此外，我们还研究了与内磁层超低频波相关的磁尾上游条件、亚暴条件、超热电子特性、磁重联条件、以及行星际磁场条件。在本项目的资助下发表了16篇SCI论文，其中包括6篇GRL、7篇JGR和2篇APJ论文，在所发表的16篇SCI论文中，6篇被国际知名机构(如NASA, ESA, AGU)评为“研究亮点”或“重要成果”，1篇被评价为“颠覆性成果”。该项目的负责人10次受邀在国际学术会议上做特邀报告，主办国际学术会议1次，担任国际会议召集人9次，加入国际空间科学研究所研究团队2个，受邀在AGU Geophysical Monograph上撰写综述性论文1篇，获得3个国际学术奖励(包括AOGS early career distinguished lecturer)。