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热离子影响电磁离子回旋波激发的理论分析与模拟研究

2020-12-08阅读(460)

热离子影响电磁离子回旋波激发的理论分析与模拟研究

论文摘要

电磁离子回旋波是内磁层中的一种重要等离子体波,它能与空间中的带电粒子发生共振相互作用,引起带电粒子的投掷角散射和能量变化。电磁离子回旋波的激发会受到多种空间环境因素的影响,如磁场结构、等离子体密度梯度、离子注入和磁暴活动等,其中热离子成分的影响至关重要。本文基于RBSP卫星的观测数据,利用线性理论和混合模拟方法研究了热离子对电磁离子回旋波激发的影响,并利用非线性理论分析了热氢离子对上升调电磁离子回旋波的振幅阈值的影响。我们首先提取了2017年8月至2018年2月期间,RBSP-B卫星观测到的69个电磁离子回旋波事件。卫星观测结果显示,波动容易在等离子体层顶交界处及外部区域激发;而且在亚暴发生期和地磁平静期均有波动激发。在线性理论研究中,我们将能量低于200 eV的热氢离子近似按照冷等离子体处理,其他热离子成分取卫星观测值,计算得到的波激发频带与卫星观测结果非常吻合。本文重点研究了热离子对氧带电磁离子回旋波激发产生的影响。结果显示,温度各向异性热氧离子（O+）、热氦离子（He+）和热氢离子（H+）都可以在氧带激发出电磁离子回旋波,对应的波频率依次增大。当不同种类热离子的温度各向异性程度或浓度占比升高时,其自身激发的氧带波的增长率对应增大。此外,热重离子浓度占比升高可以减弱氦带波和氢带波的强度,反之,热氢离子浓度占比的升高则可以增强氦带波和氢带波的强度,表明热离子的成分变化对于不同频带的波能分布具有重要的调制作用。利用混合模拟方法,我们模拟了温度各向异性为0.5的热氢离子激发氦带电磁离子回旋波的过程,发现热氢离子的浓度占比越高,氦带波的强度就越大,这与线性理论的计算结果完全一致。最后,我们利用非线性理论研究了上升调电磁离子回旋波的激发过程,发现热氢离子的浓度或者成分占比的增大可以降低氦带波和氢带波的振幅阈值,更有利于波的激发。而热氢离子温度各向异性程度的影响则更为复杂。以上升调氦带波为例,当热氢离子温度各向异性程度增大时,会提高靠近氧离子回旋频率侧的振幅阈值;同时降低靠近氦离子回旋频率侧的振幅阈值。多种研究方法都表明,热离子的状态对于不同频带电磁离子回旋波的激发都具有重要影响,准确把握热离子的特性有助于理解内磁层中电磁离子回旋波的频率、增长率和波振幅等关键参数的演化规律。

论文目录

  • 摘要
  • abstract
  • 注释表
  • 缩略词
  • 第一章 绪论
  •   1.1 地球磁层概论
  •     1.1.1 地球辐射带
  •     1.1.2 极尖区
  •     1.1.3 等离子体层
  •     1.1.4 环电流
  •   1.2 磁暴和亚暴
  •     1.2.1 磁暴
  •     1.2.2 亚暴
  •   1.3 辐射带中带电粒子的运动与损耗
  •     1.3.1 辐射带中带电粒子的运动
  •     1.3.2 辐射带中带电粒子的损耗
  •   1.4 电磁离子回旋波
  •   1.5 研究历史与现状
  •   1.6 本文的研究内容与安排
  •     1.6.1 本文的研究内容
  •     1.6.2 内容安排
  • 第二章 EMIC波激发过程的混合模拟研究方法
  •   2.1 混合模拟的基本方程
  •   2.2 初始条件
  •     2.2.1 离子位置分布
  •     2.2.2 离子速度分布
  •   2.3 边界条件
  •     2.3.1 离子边界条件
  •       2.3.1.1 离子周期性边界条件
  •       2.3.1.2 离子弹跳边界条件
  •     2.3.2 波边界条件
  •       2.3.2.1 波的周期性边界条件
  •       2.3.2.2 波的开边界条件
  • 第三章 EMIC波卫星观测事件
  •   3.1 数据来源
  •     3.1.1 ECT探测器
  •     3.1.2 EFW探测器
  •     3.1.3 EMIFISIS探测器
  •     3.1.4 RBSPICE探测器与RPS探测器
  •   3.2 EMIC波观测事件综述
  •   3.3 事件一:氦带EMIC波观测
  •     3.3.1 事件一发生期间的地磁活动
  •     3.3.2 事件一发生的位置与热氢离子通量
  •   3.4 事件二:氢带EMIC波观测
  •     3.4.1 事件二发生期间的地磁活动
  •     3.4.2 事件二发生的位置与热氢离子通量
  •   3.5 事件三:氦带EMIC升调波观测
  •     3.5.1 事件三发生期间的地磁活动
  •     3.5.2 事件三发生的位置与热氢离子通量
  •   3.6 小结
  • 第四章 热离子影响EMIC波激发的线性理论与模拟研究
  •   4.1 计算方法
  •     4.1.1 线性理论
  •     4.1.2 高斯拟合方法
  •   4.2 氦带EMIC波线性理论分析
  •     4.2.1 波事件背景参数提取
  •     4.2.2 波事件线性理论分析
  •   4.3 氢带EMIC波线性理论分析
  •     4.3.1 波事件背景参数提取
  •     4.3.2 波事件线性理论分析
  •   4.4 热离子影响EMIC波激发的线性理论研究
  •     4.4.1 热氢离子浓度占比对EMIC波激发的影响
  •     4.4.2 热氢离子温度各向异性对EMIC波激发的影响
  •     4.4.3 热氦离子浓度占比对EMIC波激发的影响
  •     4.4.4 热氦离子温度各向异性对氧带EMIC波激发的影响
  •     4.4.5 热氧离子的浓度占比对EMIC波激发的影响
  •     4.4.6 热氧离子温度各向异性对EMIC波激发的影响
  •   4.5 热氢离子浓度占比对EMIC波影响的混合模拟研究
  •   4.6 小结
  • 第五章 热氢离子影响升调EMIC波振幅阈值的非线性理论研究
  •   5.1 非线性理论
  •   5.2 卫星数据提取
  •   5.3 热氢离子对上升调EMIC波振幅阈值的影响
  •     5.3.1 热氢离子浓度对上升调EMIC波振幅阈值的影响
  •     5.3.2 热氢离子浓度占比对上升调EMIC波振幅阈值的影响
  •     5.3.3 热氢离子的温度各向异性对上升调EMIC波振幅阈值的影响
  •   5.4 背景磁场强度对上升调EMIC波振幅阈值的影响
  •   5.5 小结
  • 第六章 总结与展望
  •   6.1 本文工作总结
  •   6.2 不足与展望
  • 参考文献
  • 致谢
  • 在学期间的研究成果及发表的学术论文

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 孙康

    导师: 王志强

    关键词: 电磁离子回旋波,热离子,线性理论,混合模拟,非线性理论

    来源: 南京航空航天大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学

    专业: 地球物理学

    单位: 南京航空航天大学

    分类号: P353

    DOI: 10.27239/d.cnki.gnhhu.2019.001411

    总页数: 87

    文件大小: 3885K

    下载量: 11

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