地球內磁層中哨聲波的粒子模擬研究
發(fā)布時間：2021-01-27 16:19
哨聲波是地球內磁層中廣泛存在、十分重要的電磁波動。哨聲波在磁層高密度區(qū)域如等離子體層一般呈現(xiàn)為非相干的嘶聲波,而在等離子體層頂外常呈現(xiàn)為相干的合聲波。合聲波通常是由分立的單元組成,單個合聲波單元常呈現(xiàn)上升調或下降調結構。哨聲波是輻射帶中高能電子通量增加的主要貢獻者,它能夠通過局地隨機加速,在幾小時到一天時間內將大量百keV的能量電子加速到相對論電子,在輻射帶電子動力學演化中起著至關重要的作用。人們通過衛(wèi)星觀測、數(shù)值模擬等手段對其進行了大量的研究。本文通過粒子模擬方法,研究了哨聲波在磁層中的一些非線性物理過程,包括哨聲波的參量衰變,上升調合聲波的激發(fā)和演化,等離子體參數(shù)對上升調合聲波主要特征的影響。本文的主要結論如下:1.哨聲波的參量衰變利用一維和二維的粒子模擬方法,我們研究了均勻背景磁場條件下哨聲波的參量衰變。通過一維粒子模擬,我們發(fā)現(xiàn):平行哨聲波能夠發(fā)生參量衰變,衰變出一支反向哨聲波子波和一支正向離子聲波;哨聲波頻率和振幅越大,參量衰變越強;衰變出的哨聲波子波足夠強時也能發(fā)生參量衰變。通過二維粒子模擬,我們發(fā)現(xiàn):平行哨聲波和斜哨聲波都能發(fā)生參量衰變;初期都會衰變出一支反向哨聲波和一支...
【文章來源】：中國科學技術大學安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章頁數(shù)】：117 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
圖１．１地球磁層結構示意圖（Ｈｕｇｈｅｓ，?１９９５）??
?第１章引?言???似位于磁尾中間晨昏平面且磁場強度近似為零的中性片分開（Ｎｅｓｓ，?１９６５；?Ｂａｍｅ??ｅｔａｌ．，?１９８３；?Ｓｌａｖｉｎｅｔａｌ．，１９８３）。中性片兩側是密度較大的等離子體區(qū)域，稱為等??離子體片，厚度在子夜區(qū)域約為４ｉ？Ｅ，在晨昏兩側約為ｌＯＪ＾ＣＮａｋａｉｅｔａｌ．，１９９１）。??等離子體片的內邊界到距離地面約１０００ｋｍ高度的磁層區(qū)域通常被稱為內磁層??（Ｋｉｖｅｌｓｏｎｅｔａｌ．，?１９９５）。圖１．２是地球內磁層示意圖。內磁層區(qū)域的地磁場受太陽??風影響較小，近似為偶極常內磁層中包含輻射帶、環(huán)電流和等離子體層。??弓激波＿??—？?＾?等離了？體幔??廠?Ｔ＾ｔ＾＝＝＝??ｋ極尖ｆＡ?Ｙ?等離了？體Ｍ?■—??風—、??—?￣￣＼?；???＼、?＿磁層頂??一?—??圖１．２地球內磁層示意圖（來自國家地磁臺網(wǎng)中心）??磁層在不斷變化的太陽風作用下，存在著各種動力學過程和能量輸運。太陽??風攜帶的磁場可以與地磁場在磁層頂位置發(fā)生磁場重聯(lián)，是太陽風向磁層傳輸??能量和帶電粒子的主要方式。太陽風注入的能量和帶電粒子主要儲存在磁尾，通??過磁尾等離子體片中的磁場重聯(lián)等機制釋放并引發(fā)各種動力學過程和不穩(wěn)定性，??如磁暴和磁層亞爆。強的磁暴能夠能夠干擾通訊和導航，甚至損害地面電力系??統(tǒng)。磁尾儲存的帶電粒子一部分能夠注入內磁層，引起內磁層各種不穩(wěn)定性和波??動，以及高能帶電粒子通量的增加。高能帶電粒子可能導致人造衛(wèi)星和航天器的??損傷（Ｂａｋｅｒ，?２００２）。為保障衛(wèi)星探測和航天活動，對內磁層動力學的研宄具有重??要意義。內磁層是等離子體層（
?第１章引?言???電粒子（ｋｅＶ量級），輻射帶是磁場捕獲的髙能粒子（ＭｅＶ量級）形成的圈層。??圖１．３等離子體層、環(huán)電流和輻射帶示意圖（Ｅｂｉｈａｒａ?ｅｔ?ａｌ．，２０１１）??１．１．２輻射帶??輻射帶是指地球周圍被地磁場捕獲的高能帶電粒子形成的輻射層。１９５８年??在探險者系列衛(wèi)星升空后輻射帶被美國物理學家范艾倫發(fā)現(xiàn)并以他的名字命名。??如圖１．４所示，范艾倫輻射帶分為內帶（Ｉｎｎｅｒ?Ｂｅｌｔ）和外帶（Ｏｕｔｅｒ?Ｂｅｌｔ），中間??是一個高能粒子通量較低的槽區(qū)（Ｓｌｏｔ?Ｒｅｇｉｏｎ）。內輻射帶主要分布在距離地心??１．２？３ｉ？Ｅ區(qū)域，而外輻射帶約從３＿ＲＥ延伸到７ｉ？Ｅ（Ｇａｎｕｓｈｋｉｎａｅｔａｌ．，２０１１）。內福射??帶主要由高能（０．１－１００ＭｅＶ）質子組成，也被稱為質子輻射帶。同時也包含了部??分高能（？ｌＯＯｋｅＶ）電子。內輻射帶高能粒子主要來源于宇宙射線撞擊高層大氣??的中性原子產生的自由中子，它能衰變成單個高能質子和電子，以及一個中微子??（Ｌｅｎｃｈｅｋ?ｅｔ?ａｌ．，１９６１）。還有一部分來源于磁暴期間太陽風粒子的注入（Ｊｏｒｄａｎｏｖａ??ｅｔ?ａｌ．，２００５）和太陽質子事件中高能質子的注入（Ｈｕｄｓｏｎ?ｅｔ?ａｌ．，１９９５）。外輻射帶主??要由高能（Ｏ．ＭＯＭｅＶ）電子組成，又稱電子輻射帶。相比于內輻射帶的相對穩(wěn)??定，外輻射帶更容易受到太陽風的影響而出現(xiàn)時空上的明顯變化。在地磁暴期??間，外輻射帶能量電子通量在幾小時到幾天的時間尺度上可以變化一到三個數(shù)??量級（Ｂａｋｅｒ?ｅｔ?ａｌ．，１９８６，?１９９４；?Ｌｉ?ｅｔ?ａｌ”?１９９７；?Ｒｅｅｖｅｓ?ｅｔ?ａ
【參考文獻】：
期刊論文
[1]Theoretical and numerical studies of chorus waves: A review[J]. Xin TAO,Fulvio ZONCA,Liu CHEN,Yifan WU. Science China（Earth Sciences）. 2020(01)
本文編號：3003352
【文章來源】：中國科學技術大學安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章頁數(shù)】：117 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
圖１．１地球磁層結構示意圖（Ｈｕｇｈｅｓ，?１９９５）??
?第１章引?言???似位于磁尾中間晨昏平面且磁場強度近似為零的中性片分開（Ｎｅｓｓ，?１９６５；?Ｂａｍｅ??ｅｔａｌ．，?１９８３；?Ｓｌａｖｉｎｅｔａｌ．，１９８３）。中性片兩側是密度較大的等離子體區(qū)域，稱為等??離子體片，厚度在子夜區(qū)域約為４ｉ？Ｅ，在晨昏兩側約為ｌＯＪ＾ＣＮａｋａｉｅｔａｌ．，１９９１）。??等離子體片的內邊界到距離地面約１０００ｋｍ高度的磁層區(qū)域通常被稱為內磁層??（Ｋｉｖｅｌｓｏｎｅｔａｌ．，?１９９５）。圖１．２是地球內磁層示意圖。內磁層區(qū)域的地磁場受太陽??風影響較小，近似為偶極常內磁層中包含輻射帶、環(huán)電流和等離子體層。??弓激波＿??—？?＾?等離了？體幔??廠?Ｔ＾ｔ＾＝＝＝??ｋ極尖ｆＡ?Ｙ?等離了？體Ｍ?■—??風—、??—?￣￣＼?；???＼、?＿磁層頂??一?—??圖１．２地球內磁層示意圖（來自國家地磁臺網(wǎng)中心）??磁層在不斷變化的太陽風作用下，存在著各種動力學過程和能量輸運。太陽??風攜帶的磁場可以與地磁場在磁層頂位置發(fā)生磁場重聯(lián)，是太陽風向磁層傳輸??能量和帶電粒子的主要方式。太陽風注入的能量和帶電粒子主要儲存在磁尾，通??過磁尾等離子體片中的磁場重聯(lián)等機制釋放并引發(fā)各種動力學過程和不穩(wěn)定性，??如磁暴和磁層亞爆。強的磁暴能夠能夠干擾通訊和導航，甚至損害地面電力系??統(tǒng)。磁尾儲存的帶電粒子一部分能夠注入內磁層，引起內磁層各種不穩(wěn)定性和波??動，以及高能帶電粒子通量的增加。高能帶電粒子可能導致人造衛(wèi)星和航天器的??損傷（Ｂａｋｅｒ，?２００２）。為保障衛(wèi)星探測和航天活動，對內磁層動力學的研宄具有重??要意義。內磁層是等離子體層（
?第１章引?言???電粒子（ｋｅＶ量級），輻射帶是磁場捕獲的髙能粒子（ＭｅＶ量級）形成的圈層。??圖１．３等離子體層、環(huán)電流和輻射帶示意圖（Ｅｂｉｈａｒａ?ｅｔ?ａｌ．，２０１１）??１．１．２輻射帶??輻射帶是指地球周圍被地磁場捕獲的高能帶電粒子形成的輻射層。１９５８年??在探險者系列衛(wèi)星升空后輻射帶被美國物理學家范艾倫發(fā)現(xiàn)并以他的名字命名。??如圖１．４所示，范艾倫輻射帶分為內帶（Ｉｎｎｅｒ?Ｂｅｌｔ）和外帶（Ｏｕｔｅｒ?Ｂｅｌｔ），中間??是一個高能粒子通量較低的槽區(qū)（Ｓｌｏｔ?Ｒｅｇｉｏｎ）。內輻射帶主要分布在距離地心??１．２？３ｉ？Ｅ區(qū)域，而外輻射帶約從３＿ＲＥ延伸到７ｉ？Ｅ（Ｇａｎｕｓｈｋｉｎａｅｔａｌ．，２０１１）。內福射??帶主要由高能（０．１－１００ＭｅＶ）質子組成，也被稱為質子輻射帶。同時也包含了部??分高能（？ｌＯＯｋｅＶ）電子。內輻射帶高能粒子主要來源于宇宙射線撞擊高層大氣??的中性原子產生的自由中子，它能衰變成單個高能質子和電子，以及一個中微子??（Ｌｅｎｃｈｅｋ?ｅｔ?ａｌ．，１９６１）。還有一部分來源于磁暴期間太陽風粒子的注入（Ｊｏｒｄａｎｏｖａ??ｅｔ?ａｌ．，２００５）和太陽質子事件中高能質子的注入（Ｈｕｄｓｏｎ?ｅｔ?ａｌ．，１９９５）。外輻射帶主??要由高能（Ｏ．ＭＯＭｅＶ）電子組成，又稱電子輻射帶。相比于內輻射帶的相對穩(wěn)??定，外輻射帶更容易受到太陽風的影響而出現(xiàn)時空上的明顯變化。在地磁暴期??間，外輻射帶能量電子通量在幾小時到幾天的時間尺度上可以變化一到三個數(shù)??量級（Ｂａｋｅｒ?ｅｔ?ａｌ．，１９８６，?１９９４；?Ｌｉ?ｅｔ?ａｌ”?１９９７；?Ｒｅｅｖｅｓ?ｅｔ?ａ
【參考文獻】：
期刊論文
[1]Theoretical and numerical studies of chorus waves: A review[J]. Xin TAO,Fulvio ZONCA,Liu CHEN,Yifan WU. Science China（Earth Sciences）. 2020(01)
本文編號：3003352
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