内磁层等离子体波动对太阳风动压脉冲的即时响应

论文摘要

波粒相互作用是控制地球内磁层环境的重要物理机制。理解和预报内磁层粒子动态演化要求深入认识相关等离子体波动的生成机制和时空分布。过往的研究强调了外部太阳风扰动对超低频(Ultra Low Frequency)等离子体波动的调控。然而,对于极低频(Extremely Low Frequency)和甚低频(Very Low Frequency)等离子体波动,相关研究通常关注于磁层内部活动对其的影响,很大程度上忽视了磁层外部太阳风的潜在作用。2012年9月以来,美国国家航空航天局RBSP卫星提供了全面系统的内磁层粒子和波动观测,结合已有的磁层卫星THEMIS观测以及长期稳定的太阳风卫星ACE和WIND观测,为系统研究太阳风调控磁层等离子体波动提供了必要条件。通过分析磁层与太阳风观测数据,结合数值模拟和理论推导,本文系统研究了内磁层等离子体波动对太阳风动压脉冲的即时响应。涉及的等离子体波动频率涵盖毫赫兹至数千赫兹,包括合声、等离子体层嘶声、外嘶声、磁声以及超低频脉动等,它们能够显著影响磁层辐射带高能粒子的加速和损失过程。主要科学发现包括:(1)太阳风动压正脉冲能够诱发磁层顶阴影效应,抑制合声的生存空间,进而导致等离子体层嘶声即时消失;(2)太阳风动压负脉冲能够增大磁层磁力线曲率和磁场梯度,抑制合声非线性激发,相继导致等离子体层嘶声和外嘶声即时消失;(3)太阳风动压正/负脉冲能够分别导致磁层收缩/膨胀,绝热加速/减速磁层热离子,进而导致磁声即时浮现/消失;(4)太阳风动压脉冲能够在地球磁层激发超低频脉动,进而调制背景磁场位型和热离子分布,最终促成准周期性合声、外嘶声和磁声的即时浮现。我们的研究展示了太阳风动压脉冲对于磁层等离子体波动时空分布的重要影响,同时提供了新的途径来检验相关等离子体波动的生成理论(例如,合声非线性激发理论、合声—等离子体层嘶声—外嘶声相互关联性理论、磁声伯恩斯坦模不稳定性理论和等离子体不稳定性的自发弛豫准周期震荡理论等)。这些研究成果可以促进磁层环境物理模型的发展,进而服务国家未来的空间探测保障需求。

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文章来源

类型: 博士论文

作者: 刘倪纲

导师: 郑惠南,苏振鹏

关键词: 太阳风磁层相互作用,太阳风扰动,范艾伦辐射带,等离子体波,波粒相互作用

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: P353.8

总页数: 118

文件大小: 14911K

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