極尖區(qū)粒子軌道特性及合聲波與輻射帶電子的非線性相互作用的研究.pdf

1、輻射帶和極尖區(qū)是地球磁層捕獲粒子的中重要區(qū)域。磁暴期間增強的輻射帶高能粒子通量會嚴重威脅航天器、宇航員和地面輸電系統(tǒng)。在地磁活動期間，外輻射帶高能電子通量在幾分鐘到及幾小時的時間尺度下，能夠升高一至三個數(shù)量級。其中，合聲波與電子的相互作用被認為是能有效地加速輻射帶電子重要機制。極尖區(qū)因為最小面的存在可以捕獲透支角較高的帶電粒子，電磁離子回旋波被證明可以將質子散射沉降至大氣層，形成極尖區(qū)質子極光。所以本文將進行兩個方面的研究:一是極尖區(qū)粒

2、子運動特性和最小面的關系及最小面的位形特性隨空間環(huán)境參數(shù)變化;二是輻射帶電子與合聲波的非線性相互作用機制，及其對能量和投擲角擴散系數(shù)的影響。
　　本文的極尖區(qū)研究采用Tsyganenko96模型，研究了極尖區(qū)最小面隨空間環(huán)境（太陽風動壓，IMF，Dst指數(shù)）的變化情況。我們研究了極尖區(qū)最小面的磁場強度，CTL（cusp trapping limit），足點區(qū)域，這能夠幫助我們分析粒子在極尖區(qū)的運動情況。極尖區(qū)最小面CTL的值反映了

3、極尖區(qū)最小面的捕獲能力大小。最小面根據磁場等強線是否閉合可以分為穩(wěn)定捕獲區(qū)和非穩(wěn)定捕獲區(qū)。帶電粒子粒子需要大于CTL的投擲角才能被捕獲在最小面，試驗粒子的方法證明了這一點。在穩(wěn)定捕獲區(qū)，晨側方向運動的質子因為投擲角較小逃向外輻射帶區(qū)域，隨后在赤道平面彈跳，最后被散射到磁尾;非穩(wěn)定捕獲區(qū)粒子則有可能在逃逸后繞地球一周又回到極尖區(qū)最小面;如果粒子的投擲角在最小面足夠小，＜～2°，粒子將會損失到大氣層，形成極尖區(qū)極光。Dst指數(shù)的減小可以增強

4、極尖區(qū)磁場，并可以減小CTL。太陽風動壓增大雖然可以更明顯增強磁場強度但對CTL幾乎沒有影響。如果Bz=-5 nT，CTL將會增大，捕獲能力減小，而北向的行星際磁場則會使CTL值減小。如果IMF存在By分量，穩(wěn)定捕獲區(qū)變得不再對稱，一個By=-5 nT的磁場分量使最小面往晨側延伸，并使晨側CTL減小。By=+5 nT，最小面則會往昏側延伸，昏側CTL也會減小。本文給出的不同行星際磁場條件下極尖區(qū)最小面的足點區(qū)域的緯度和MLT范圍在T96

5、模型中的變化和觀測數(shù)據一致。
　　在本文的合聲波與電子的非線性相互作用研究中，我們使用回旋平均的試驗粒子模擬方法，對于平行傳播的單色合聲波，計算了其與電子相互作用的彈跳平均的能量和投擲角擴散系數(shù)，并且將兩種不同模型:試驗粒子模型(Test-particle，TP)和準線性模型(Quasi-liner，QL)計算得到的擴散系數(shù)做了一個對比，以此來評估非線性過程對波粒相互作用的影響。在合聲波波幅較小時，TP和QL擴散系數(shù)吻合的很好。當

6、波幅增長到達一個閾值時，兩種典型的非線性過程(相位捕獲:phase trapping和相位綁定:phasebunching)開始出現(xiàn)，特別是在大投擲角區(qū)域更容易出現(xiàn)。相位捕獲會導致投擲角和能量的快速上升，與此相反，相位捕獲會造成投擲角和能量的全面的減小。在波幅稍大于閾值的時候，粒子的平均運動被相位捕獲所主導，并且導致TP擴散系數(shù)大于QL擴散系數(shù)。雖則波幅的繼續(xù)增長，TP擴散系數(shù)開始逐漸的再次靠近QL擴散系數(shù)，還有可能小于QL擴散系數(shù)。這