内磁层中波与粒子的非线性相互作用

摘要

内磁层中存在着多种类型的等离子体波动，它们能与不同种类、不同能量的带电粒子发生共振相互作用。波粒相互作用不仅能散射粒子的投掷角与能量，还能改变粒子的分布函数。准线性理论常常被用来描述波粒相互作用，然而我们发现磁暴期间EMIC波与带电粒子的相互作用往往是高度非线性的。因此，本文使用无量纲参数R判断非线性相互作用的发生区域，并使用测试粒子模型具体分析不同情况下带电粒子的运动轨迹。
　　本文系统研究了三种不同频带的EMIC波（氢带波、氦带波和氧带波）与环电流质子、氧离子和辐射带电子的非线性相互作用，并研究了背景等离子体参数的改变对非线性作用产生的影响。我们发现当EMIC波的角频率与带电粒子的回旋频率越接近时，发生非线性作用的区域就越大。而磁壳数L的增加、背景电子浓度的上升以及磁暴期间背景离子浓度的上升也能促进非线性相互作用的发生。相较于氦带波和氧带波，氢带波与质子和电子发生非线性相互作用的几率最大。非线性相互作用包括相位捕获效应和相位成束效应，这两种效应对高能粒子的影响截然相反。氧带波与氧离子的相位捕获效应会使氧离子能量出现螺旋式增加，这在过去的研究中从未发现过。
　　此外，本文还研究了合声波和嘶声波与辐射带电子发生的波粒相互作用，发现其中也依然存在非线性相互作用。研究表明内磁层中波与粒子的非线性相互作用具有一定的复杂性，根据波与粒子种类的不同作用效果差异很大。这些非线性效应强烈的影响着内磁层粒子的分布情况，并与准线性理论的预期不尽相同。

目录

声明

注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1 地球磁层结构

1.2 等离子体中的波动

1.3 辐射带中粒子的运动

1.4 研究的历史与现状

1.5 本文的研究内容与安排

第二章 计算模型

2.1 测试粒子模型

2.2 无量纲参数R

2.3 模型数值计算方法

第三章 EMIC波与环电流离子的非线性相互作用

3.1 引言

3.2 不同频带的EMIC波与环电流质子的非线性相互作用

3.3 不同频带的EMIC波与环电流氧离子的非线性相互作用

3.4 本章小结

第四章 EMIC波与辐射带电子的非线性相互作用

4.1 引言

4.2 氢带波与辐射带电子的非线性相互作用

4.3 氦带波与辐射带电子的非线性相互作用

4.4 氧带波与辐射带电子的非线性相互作用

4.5 本章小结

第五章 合声波、嘶声波与辐射带电子的非线性相互作用

5.1 引言

5.2 合声波与辐射带电子的非线性相互作用

5.3 嘶声波与辐射带电子的非线性相互作用

5.4 本章小结

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