地球內(nèi)磁層中磁聲波的數(shù)值模擬研究.pdf

1、磁聲波是地球輻射帶中重要的電磁波動(dòng)，其頻率處于幾赫茲到幾百赫茲之間，由于它經(jīng)常在赤道平面附近被衛(wèi)星觀測到，所以磁聲波又常被稱為赤道噪聲。磁聲波在輻射帶電子散射和加速方面發(fā)揮重要的影響。本文主要關(guān)注輻射帶中磁聲波的激發(fā)和演化的物理過程，利用線性理論和一維粒子模擬程序研究了環(huán)狀分布質(zhì)子激發(fā)磁聲波的波譜及磁聲波對(duì)背景冷等離子體的能化，同時(shí)還研究了磁聲波的波波相互作用。另外，利用二維的粒子模擬程序研究了地球偶極磁場中磁聲波的激發(fā)與傳播。本文的主

2、要結(jié)論如下:
　　1.連續(xù)譜磁聲波的形成機(jī)制
　　利用線性理論，研究了環(huán)狀分布質(zhì)子激發(fā)的垂直傳播磁聲波的波譜特征。發(fā)現(xiàn)，環(huán)狀分布質(zhì)子可以激發(fā)分立譜和連續(xù)譜的磁聲波，連續(xù)譜的磁聲波是由于相鄰的兩支分立譜重疊導(dǎo)致的。給出了磁聲波產(chǎn)生分立譜和連續(xù)譜的判據(jù)，當(dāng)磁聲波的增長率較小γ＜0.5Ωh時(shí)，磁聲波的波譜為分立譜;而對(duì)于磁聲波增長率大于或相當(dāng)于0.5Ωh時(shí)，產(chǎn)生的磁聲波的波譜為連續(xù)譜。利用一維粒子模擬程序我們證實(shí)了環(huán)狀分布質(zhì)子可以

3、激發(fā)分立譜和連續(xù)譜的垂直傳播磁聲波。
　　2.磁聲波激發(fā)的參量研究
　　利用線性理論和一維粒子模擬程序，對(duì)環(huán)狀分布質(zhì)子激發(fā)垂直傳播磁聲波的物理過程進(jìn)行了參量研究。發(fā)現(xiàn)，當(dāng)質(zhì)量比和光速阿爾芬速度比很小時(shí)，激發(fā)的磁聲波波譜為很少的幾個(gè)分立的波模。隨著質(zhì)量比和光速阿爾芬速度比增大，低混雜頻率增大，這將導(dǎo)致激發(fā)的磁聲波的波模數(shù)量和頻率增加，同時(shí)增長率也會(huì)隨之增加。當(dāng)質(zhì)量比和光速阿爾芬速度比足夠大時(shí)，磁聲波的波譜會(huì)由于相鄰波模的重疊變

4、為連續(xù)譜。環(huán)狀分布質(zhì)子密度的增加，也可以使激發(fā)的磁聲波由分立譜變?yōu)檫B續(xù)譜。環(huán)狀分布質(zhì)子速度的增加會(huì)導(dǎo)致磁聲波的頻率范圍變寬，波模數(shù)量增多，但是磁聲波的增長率會(huì)變低。
　　3.磁聲波與背景等離子體的相互作用
　　利用一維的粒子模擬程序，研究了不同傳播角度的磁聲波的波譜特征以及背景等離子體的能化。發(fā)現(xiàn)隨著傳播角度的減小，磁聲波的波譜會(huì)變寬，而且磁聲波的頻率范圍會(huì)超過低混雜頻率。對(duì)于嚴(yán)格垂直的磁聲波，在平行方向，背景電子和背景質(zhì)子

5、均沒有能化;而在垂直方向，背景等離子體的能化非常顯著，背景質(zhì)子的能化是由于非磁化加速導(dǎo)致的，而背景電子的能化是由于電場漂移導(dǎo)致的。對(duì)于有限平行波數(shù)的磁聲波，會(huì)在平行方向出現(xiàn)不可忽略的電場，這導(dǎo)致在平行方向背景電子被非常有效的能化。在垂直方向上，背景電子也會(huì)由于電場漂移被有效的能化。而對(duì)于背景質(zhì)子，磁聲波只能在垂直方向?qū)ζ浼訜?，而在平行方向，其能量沒有明顯變化。
　　4.磁聲波的波波相互作用
　　利用一維的粒子模擬程序，研究了

6、磁聲波的波波相互作用問題。粒子模擬得到的環(huán)狀分布質(zhì)子激發(fā)的磁聲波會(huì)出現(xiàn)一些線性理論無法給出的低頻的磁聲波波模。由于磁聲波的頻率通常處在質(zhì)子回旋頻率的整數(shù)倍，而且在半低混雜頻率以下的磁聲波色散曲線近似為直線，所以磁聲波的波模之間很容易滿足波波相互作用條件，診斷了模擬得到的磁聲波的色散關(guān)系和雙相干系數(shù)，發(fā)現(xiàn)低頻的磁聲波是由于環(huán)狀分布質(zhì)子激發(fā)的較高頻率的磁聲波通過波波相互作用激發(fā)的。
　　5.偶極磁場中的磁聲波
　　利用二維偶極坐

7、標(biāo)系粒子模擬程序，研究了地球偶極磁場中磁聲波的激發(fā)與演化。模擬中包含三種等離子體成分，背景的冷電子和冷質(zhì)子分布在整個(gè)模擬平面，而環(huán)狀分布質(zhì)子只分布在模擬中心附近的局部區(qū)域。發(fā)現(xiàn)環(huán)狀分布質(zhì)子會(huì)在局地激發(fā)磁聲波，磁聲波的傳播方向幾乎是垂直于背景磁場的。磁聲波在沿著徑向傳播到環(huán)狀分布質(zhì)子邊界時(shí)會(huì)發(fā)生反射，部分磁聲波被反射后向源區(qū)傳播，而另一部分磁聲波會(huì)穿過環(huán)狀分布質(zhì)子邊界繼續(xù)向外傳播。與此同時(shí)，磁聲波會(huì)與背景冷等離子體發(fā)生相互作用，背景的冷等