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(qiáng)的輻射帶高能粒子通量會嚴(yán)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(shí)的時(shí)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(rèn)為是能有效地加速輻射帶電子重要機(jī)制。極尖區(qū)因?yàn)樽钚∶娴拇嬖诳梢圆东@透支角較高的帶電粒子，電磁離子回旋波被證明可以將質(zhì)子散射沉降至大氣層，形成極尖區(qū)質(zhì)子極光。所以本文將進(jìn)行兩個方面的研究:一是極尖區(qū)粒

2、子運(yùn)動特性和最小面的關(guān)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(jī)制，及其對能量和投擲角擴(kuò)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(fēng)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(qiáng)度，CTL（cusp trapping limit），足點(diǎn)區(qū)域，這能夠幫助我們分析粒子在極尖區(qū)的運(yùn)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(jù)磁場等強(qiáng)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(yàn)粒子的方法證明了這一點(diǎn)。在穩(wěn)定捕獲區(qū)，晨側(cè)方向運(yùn)動的質(zhì)子因?yàn)橥稊S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(qiáng)

4、極尖區(qū)磁場，并可以減小CTL。太陽風(fēng)動壓增大雖然可以更明顯增強(qiáng)磁場強(qiáng)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(cè)延伸，并使晨側(cè)CTL減小。By=+5 nT，最小面則會往昏側(cè)延伸，昏側(cè)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(diǎn)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(jù)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(yàn)粒子模擬方法，對于平行傳播的單色合聲波，計(jì)算了其與電子相互作用的彈跳平均的能量和投擲角擴(kuò)散系數(shù)，并且將兩種不同模型:試驗(yàn)粒子模型(Test-particle，TP)和準(zhǔn)線性模型(Quasi-liner，QL)計(jì)算得到的擴(kuò)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(shí)，TP和QL擴(kuò)散系數(shù)吻合的很好。當(dāng)

6、波幅增長到達(dá)一個閾值時(shí)，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(dǎo)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(shí)候，粒子的平均運(yùn)動被相位捕獲所主導(dǎo)，并且導(dǎo)致TP擴(kuò)散系數(shù)大于QL擴(kuò)散系數(shù)。雖則波幅的繼續(xù)增長，TP擴(kuò)散系數(shù)開始逐漸的再次靠近QL擴(kuò)散系數(shù)，還有可能小于QL擴(kuò)散系數(shù)。這