磁層粒子迴旋相位成束效應研究

《磁層粒子迴旋相位成束效應研究》是依託南京航空航天大學，由王志強擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：磁層粒子迴旋相位成束效應研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：王志強
• 依託單位：南京航空航天大學

項目摘要

上世紀中葉人們在研究波粒相互作用的過程中發現粒子可以發生迴旋相位成束效應。這一非線性效應對於磁層哨聲（whistler）波激發起到重要作用。最近的模擬研究表明電磁離子迴旋（EMIC）波也可以導致這一現象的發生，並造成環電流質子的能量和投擲角的大量對流擴散過程，進而影響該區域粒子分布和總損失率的變化。因此，粒子迴旋相位成束效應對於地球內磁層動力學研究具有重要科學意義。以往的研究主要是基於數值模擬方法。本課題計畫利用Cluster、Double Star、THEMIS或RBSP等最新衛星探測數據，通過事件分析法探討粒子迴旋相位成束效應的具體形態結構、激發條件及其物理過程等，並與以往理論研究和數值模擬研究進行對比。重點研究其對環電流質子行為的影響，及在電漿片等區域發生類似物理過程的可能性。

結題摘要

波粒相互作用現象在磁層空間中廣泛存在，強烈影響著粒子的行為。粒子迴旋相位成束效應是一種由波粒相互作用產生的特殊的非線性效應。具體表現為在迴旋相空間裡，粒子集中分布在有限的相位內。本課題利用衛星觀測數據首次在內磁層中發現大量與電磁離子迴旋波相伴隨的離子迴旋相位成束結構。該非線性效應僅在上世紀八十年代的太陽風觀測中有過報導，在內磁層中的直接觀測尚屬首次。通過詳細分析波動產生的背景電漿條件以及離子在相空間中的演化，我們發現相位成束的離子與波動始終保持在很小的相位差（＜30°），表明波和離子處在緊密的共旋狀態。電動相位群聚機制是離子相位成束結構形成的原因。我們利用數值模擬方法研究了內磁層電磁離子迴旋波（包括氫帶波、氦帶波和氧帶波）與質子和氧離子發生的波粒共振相互作用，以及由此造成的粒子非線性相位成束和相位捕獲效應。研究發現當共振粒子為環電流質子時，相位成束效應會使質子的赤道投擲角與能量都降低，使質子減速並且總損失率比準線性理論的估計增加；相位捕獲效應剛好相反。當共振粒子為環電流氧離子時，情況更為複雜。氧帶波產生的非線性效應與氫帶波或者氦帶波剛好相反。首次發現氧帶波與氧離子共振相互作用導致的相位捕獲效應會使氧離子能量出現螺旋式增加。此外，還研究了輻射帶電子與電磁離子迴旋波的共振相互作用，相位成束效應會使電子的赤道投擲角增加而能量降低，並降低總損失率；相位捕獲效應剛好相反。多種研究方法都表明非線性粒子迴旋相位成束效應會對粒子行為的諸多方面產生影響，比如波粒共振、粒子加速加熱以及投擲角擴散等非絕熱過程，最終導致該區域粒子能量和密度分布的劇烈擾動，粒子大氣沉降率發生變化等。該效應強烈的影響著內磁層粒子的分布情況，並與準線性理論的預期不盡相同，這使得相位成束效應成為建立精確的輻射帶模型所需要考慮的因素。因此，粒子迴旋相位成束效應對於地球內磁層動力學研究具有重要科學意義。