NTS基站的空间响应及波粒相互作用机制的研究

摘要

利用人工地面站发射VLF电磁波来加速辐射带电子沉降是空间物理研究的热门课题。本文利用DEMETER卫星的电场探测器(ICE)和高能粒子探测器(IDP)的数据(2005～2009)，首次对地面基站NTS发射的两种不同频率带宽的电磁波在空间分布的特征进行了研究，该电磁波中心频率值均为18.6kHz，频率带宽分别为80Hz和200Hz。根据NTS电磁波两种成分的开关机特点，把NTS信号分为(ON，HALF，OFF)三种类型，采用归一化的ON-OFF方法去除复杂本底，对电磁波的功率谱进行了详细的分析。本文首次研究NTS电磁波的宽、窄两种成分引起的沉降电子（简称NTS电子）的特征，给出两种NTS电磁波成分引起的沉降电子的显著性分布。NTS电磁波可以引起沉降区域电子通量出现5～10倍涨高，NTS电子分布最显著的磁壳层位于L=1.8-2.2，而电子能量最集中的能区在100-400keV。
　　一方面分别从准线性理论和试验粒子理论来研究高能电子和磁层等离子体波的共振相互作用。基于准线性理论，对投掷角散射系数，混合散射系数和能量散射系数进行了分析，发现共振散射系数的大小取决于与之共振的波的频率的大小、带宽、波角、电子在赤道的投掷角、电子的能量以及其所在的磁壳层和纬度。其中心频率的大小决定了在特定的磁壳层与之发生波粒共振相互作用的电子能量大小，波的带宽越大，与之发生共振的电子能量的范围也相应变大，但与其对应的电子投掷角散射率变小。散射率还与平均振幅的平方成正比，电子的损失的周期与电磁波的能量成反比，由此，我们可以通过调整VLF波的振幅大小来提高沉降辐射带电子的效率。
　　另一方面研究了发生共振作用的NTS电子能量与电磁波频率、L值的对应关系。对于试验粒子理论模型，当取L=2时，中心频率为18.6kHz，半波带宽约80Hz，影响到的沉降电子的能量范围在140～150keV，与准线性理论算出的电子共振能量131.5keV相接近。并用将实验数据与理论计算结果进行交叉比对，当固定中心频率为18.6kHz时，用电子的耦合能量随L值的变化图像与NTS电子带能谱的信噪比图进行对照，其共振能量与L值的分布趋势基本一致。说明NTS基站激发的电磁波引起了高能粒子的沉降和扰动，可以用空间波粒相互作用理论来解释。这为以后观测地基人工VLF电磁波发射与电离层扰动之间的关系研究提供了有利的证据和理论支持。

目录

摘要

图表目录

第一章 绪论

1．1 地球辐射带和磁层环境

1．2 辐射带粒子的运动规律

1．2．1 第一绝热不变量

1．2．2 第二绝热不变量

1．2．3 第三绝热不变量

第二章 地面基站激发的VLF波对辐射带粒子的影响

2．1 NWC

2．2 NPM

2．3 NTS基站

第三章 地面基站NTS激发的VLF波的空间响应研究

3．1 数据的来源

3．2 NTS基站发射的VLF信号特征

3．3 粒子特征

3．3．1 NTS电子带的平均通量的空间分布

3．3．2．NTS电子带的能谱特征

第四章 波粒相互作用理论计算

4．1 准线性理论模型

4．1．1 准线性基本理论

4．1．2 高能电子与VLF波共振的散射系数

4．1．3 电子共振能量下限

4．2 试验粒子模型

4．2．1 试验粒子基本理论

4．2．2 试验粒子共振能量下限与实验数据对比

第五章 总结与展望

5．1 数据处理分析方面的的工作

5．2 理论研究方面的工作

参考文献

致谢

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