电磁离子回旋波(Electromagnetic ion cyclotron waves,简称EMIC波)在地球辐射带电子动力学过程中扮演着非常重要的角色.通过波粒相互作用,EMIC波能有效地散射相对论电子,造成辐射带相对论电子快速沉降损失从而影响相对论电子通量演化.因此在地球辐射带动力学建模中,快速准确地获取EMIC波对相对论电子的散射效应信息非常必要.利用基于准线性理论的Full Diffusion Code (FDC),本文主要研究了辐射带H+频段EMIC波对相对论电子的散射效应,并定量计算了EMIC波对相对论电子的弹跳平均投掷角扩散系数.为了方便快速地进行辐射带多维度建模,我们建立了L=1.5~7,α*=3~30范围内的扩散系数矩阵库.文中展示了L分别为3、4和5时α*为3~30时H+频段EMIC波三种不同传播角模型的弹跳平均投掷角扩散系数,其随不同输入参数的变化特征与前人结果基本一致.基于所建立的弹跳平均投掷角扩散系数矩阵库,我们使用线性插值方法计算得到了L为3.25、4.35、5.55时在等离子体层顶内外的弹跳平均投掷角扩散系数.通过计算比较FDC和线性插值两种方法得到的扩散系数的相对误差,我们进一步验证了线性插值方法对于快速获取扩散系数的可行性和准确性.我们的结果表明,扩散系数的多维矩阵构建和线性插值获取能有效提高辐射带动力学建模的效率,对地球辐射带动理学快速建模和空间天气预报有着重要意义.
相似文献等离子体层嘶声(Plasmaspheric hiss)是地球辐射带中的一种常见哨声模波动,主要存在于等离子体层中.嘶声波可以通过回旋共振散射辐射带电子,在辐射带槽区的形成过程和反转能谱的演化过程中具有重要作用.因此,在辐射带动态建模中需要考虑嘶声波的作用,常用的方法是在辐射带电子扩散方程中加入嘶声波导致的损失项,用损失时间尺度(loss timescale)代表电子损失的快慢.本文基于等离子体层嘶声对辐射带电子的投掷角散射系数模型计算了嘶声波导致辐射带电子损失的时间尺度.建立了包含L(范围为3~6)、冷等离子体参数α*(范围为3~30)以及电子能量(范围为1 keV~10 MeV)的电子损失时间尺度参数化模型.基于该模型,可以快速计算电子在嘶声波散射效应下的损失时间尺度.通过与卫星实际观测的电子损失时间尺度对比,验证了本文建立的嘶声波损失时间尺度模型的合理性,可为实现辐射带的快速建模提供有利支持.
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波粒相互作用是环电流损失的重要机制之一,但波粒相互作用导致的环电流离子沉降而损失迄今为止缺乏直接的观测证据.基于磁层及电离层卫星的协同观测,本文报道了发生在2015年9月7日,由电磁离子回旋波（EMIC波）导致环电流质子沉降的共轭观测事件.在等离子体层的内边界,Van Allen Probe B卫星观测到,存在EMIC波的区域和不存在EMIC波的区域相比,离子通量的投掷角分布的各向异性变弱.我们将Van Allen Probe B卫星沿着磁力线投影到电离层高度,同时在该投影区域内DMSP 16卫星在亚极光区域观测到环电流质子沉降.而且,通过从理论上计算质子弹跳平均扩散系数,我们进一步证实观测的EMIC波确实能将环电流质子散射到损失锥中.本文的研究工作为EMIC波导致环电流质子沉降提供了直接的观测证据,揭示了环电流衰减的重要物理机制：EMIC波将环电流质子散射到损失锥中,从而沉降到低高度大气层中而损失.
相似文献等离子体波动与带电粒子的共振相互作用一直是磁层物理学的研究热点.作为一种常见的宽频、右旋极化等离子体波动, 等离子体层嘶声在地球磁层电子的损失过程中起到了重要作用.其中, 嘶声波对电子的回旋共振散射被认为是辐射带槽区形成的主要机制, 而人们对嘶声波与电子的弹跳共振机制的理解却相对匮乏.本文旨在细致研究嘶声波与槽区电子的弹跳共振相互作用, 明确其对槽区电子动态演化过程的影响.研究发现, 嘶声波与电子的弹跳共振可以造成槽区电子在高投掷角(80°~90°)处明显的投掷角扩散.相比于低能(＜~100 keV)电子, 嘶声波引起的高能(＞~100 keV)电子的弹跳共振效应明显更强.槽区电子的弹跳共振投掷角扩散系数对于L-shell、地磁活动条件和共振阶数都有着很强的依赖性.随着L-shell的增大和地磁活动的增强, 嘶声波对电子的弹跳共振散射效应显著增强.对于低能电子, 共振阶数对总散射系数的贡献随阶数的升高而增大; 而对于低L-shell处的高能电子, 共振阶数对总散射系数的贡献随阶数的升高而呈现先增大后减小的趋势.嘶声波与槽区电子的弹跳共振相互作用可以有效地将高投掷角电子散射到较低的投掷角上, 进而在回旋共振机制的协助下将它们散射到损失锥中.因此, 未来在地球槽区电子动力学建模过程中有必要考虑等离子体层嘶声对电子的弹跳共振散射效应.
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