通过粒子模拟和卫星观测对空间等离子体中波粒相互作用以及电子声孤立结构的研究

论文摘要

波粒相互作用是空间等离子体环境中非常重要的现象。利用一维网格粒子（PIC）模型,我们研究了等离子体对波的捕获以及等离子体中电子声孤立结构的形成。该等离子体由离子,冷、热和束流电子组成。我们还提出了一种更为广义的非麦克斯韦分布函数用于空间等离子体。此外,利用Magnetosperic Multiscale（MMS）航天器对于两种不同的等离子体（H+和He+）的直接测量,我们深入研究了波和粒子的能量交换过程。主要结果如下:1通过一维（1-D）网格粒子（PIC）模拟,在多粒子成分的等离子体中,研究电子声波的非线性效应。该等离子体中包含热电子,冷电子和束流电子,以及离子成分,以维持电中性条件。数值分析已经确定具有足够大振幅的电子声波倾向于捕获冷电子。电子声波是有色散的,波数不同的波模具有不同的相速度,因此可能导致冷电子的混合。冷电子最终被热化或加热。研究还表明,激发的电子声波频率很宽,这有助于理解地球极光区域的宽带一静电噪声（BEN）频谱。2静电孤立（ES）结构经常在太阳风、地球和其他行星磁层中观察到,并且是理论研究中最广泛的波。然而,很少有同时的模拟和理论研究。在本文中,我们对等离子体中的静电孤立（ES）波进行一维静电网格粒子（PIC）模拟,该等离子体由离子,冷,热和束流电子组成。我们发现当束流电子速度较小时,准单色电子声（EA）波会变得陡峭,进而形成ES结构。我们将这些ES结构解释为电子声孤立（EAS）结构,其与理论上获得的稀疏（负静电势）电子声孤立结构一致,作为Korteweg de-Vries（KdV）方程的解。我们发现孤立结构的极性取决于电子束的漂移速度,电场尖峰的形成与地球磁层的ES波观测结果一致。3给出了非Maxwellian分布函数的更一般形式,即AZ分布函数。通过三个参数的变化来观察其基本性质:α（肩上的高能粒子率）,r（宽肩上的高能粒子）和q（等离子体速度分布曲线尾部的超热性）。我们观察到（i）AZ分布函数减少到α→0的（r,q）分布:（ii）AZ分布函数降低到α→0和r→0的q分布:（iii）AZ分布函数Cairns分布函数r→0和q→∞:（iv）AZ分布减少到Vasyliunas Cairns分布r→0和q→κ+1:（v）最后,对于a→0,r→0和→∞,AZ分布退化为Maxwellian分布。简要讨论了这种更广义的AZ分布函数在各种空间等离子体中的用法。4波和粒子可以在无碰撞空间等离子体中交换它们的能量。我们利用磁层多尺度（MMS）航天器,对于两种不同的离子（H+和He+）进行直接测量,研究了电磁离子回旋（EMIC）波和离子的能量交换过程。我们观测到通过回旋共振,H+将能量转移到电磁离子回旋（EMIC）波中,而EMIC波通过非共振相互作用将能量转移到He+。

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摘要

Abstract

Chapter 1: Introduction

1.1 Space plasma environment

1.2 Electrostatic plasma waves

1.2.1 Langmuir waves

1.2.2 Electron acoustic waves

1.2.3 Beam driven waves

1.3 Electromagnetic ion cyclotron （EMIC） waves

1.4 Wave-particle interactions

1.4.1 Trapping of plasma particles

1.5 Solitary waves in space plasmas

1.6 The computational simulation of plasmas

1.6.1 Particle in cell simulation （PIC） technique

1.6.2 Layout of PIC simulation program

1.6.3 Leap-Frog Scheme

1.6.4 Integration to solve the field equations

1.6.5 The numerical solution of Poisson's equation

1.6.6 Particle and force weighting

1.7 Layout of thesis

Chapter 2: Effects of electron trapping by nonlinear electron-acoustic waves

2.1 Introduction

2.2 Theoretical formalisms

2.3 Simulation model

2.4 Simulation results

2.5 Summary

Chapter 3: Electron-acoustic solitary structures in an electron beam-plasma

3.1 Introduction

3.2 Theoretical model

3.3 Simulation setup

3.4 Simulation results

3.5 Summary

Chapter 4: Generalized AZ-non-Maxwellian velocity distribution function

4.1 Introduction

4.2 Maxwellian distribution function

4.3 Kappa distribution

4.4 Cairns distribution

4.5 Vasyliunas-Cairns （VC） distribution

4.6 Generalized （r,q）-distribution

4.7 AZ-distribution function

4.8 Numerical result and discussion

4.9 Summery

Chapter 5: The measurement of wave-particle energy exchange in space plasmas usingMagnetosphere Multiscale （MMS） Spacecraft

5.1 Introduction

5.2 Magnetospheric Multiscale （MMS） spacecraft

5.3 Overview of event and results

5.4 Summary

Chapter 6: Conclusion and future studies

6.1 Conclusions of the thesis

6.2 Future prospective

References

Acknowledgements

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文章来源

类型: 博士论文

作者: Abid Ali Abid

导师: 陆全明

关键词: 电子声波,电磁离子回旋波,冷电子俘获,电子声孤子结构,粒子模拟,波粒相互作用,磁层多尺度航天器

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 地球物理学

单位: 中国科学技术大学

分类号: P354

总页数: 114

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