地球内磁层中磁声波的数值模拟研究

摘要

磁声波是地球辐射带中重要的电磁波动，其频率处于几赫兹到几百赫兹之间，由于它经常在赤道平面附近被卫星观测到，所以磁声波又常被称为赤道噪声。磁声波在辐射带电子散射和加速方面发挥重要的影响。本文主要关注辐射带中磁声波的激发和演化的物理过程，利用线性理论和一维粒子模拟程序研究了环状分布质子激发磁声波的波谱及磁声波对背景冷等离子体的能化，同时还研究了磁声波的波波相互作用。另外，利用二维的粒子模拟程序研究了地球偶极磁场中磁声波的激发与传播。本文的主要结论如下:
　　1.连续谱磁声波的形成机制
　　利用线性理论，研究了环状分布质子激发的垂直传播磁声波的波谱特征。发现，环状分布质子可以激发分立谱和连续谱的磁声波，连续谱的磁声波是由于相邻的两支分立谱重叠导致的。给出了磁声波产生分立谱和连续谱的判据，当磁声波的增长率较小γ＜0.5Ωh时，磁声波的波谱为分立谱;而对于磁声波增长率大于或相当于0.5Ωh时，产生的磁声波的波谱为连续谱。利用一维粒子模拟程序我们证实了环状分布质子可以激发分立谱和连续谱的垂直传播磁声波。
　　2.磁声波激发的参量研究
　　利用线性理论和一维粒子模拟程序，对环状分布质子激发垂直传播磁声波的物理过程进行了参量研究。发现，当质量比和光速阿尔芬速度比很小时，激发的磁声波波谱为很少的几个分立的波模。随着质量比和光速阿尔芬速度比增大，低混杂频率增大，这将导致激发的磁声波的波模数量和频率增加，同时增长率也会随之增加。当质量比和光速阿尔芬速度比足够大时，磁声波的波谱会由于相邻波模的重叠变为连续谱。环状分布质子密度的增加，也可以使激发的磁声波由分立谱变为连续谱。环状分布质子速度的增加会导致磁声波的频率范围变宽，波模数量增多，但是磁声波的增长率会变低。
　　3.磁声波与背景等离子体的相互作用
　　利用一维的粒子模拟程序，研究了不同传播角度的磁声波的波谱特征以及背景等离子体的能化。发现随着传播角度的减小，磁声波的波谱会变宽，而且磁声波的频率范围会超过低混杂频率。对于严格垂直的磁声波，在平行方向，背景电子和背景质子均没有能化;而在垂直方向，背景等离子体的能化非常显著，背景质子的能化是由于非磁化加速导致的，而背景电子的能化是由于电场漂移导致的。对于有限平行波数的磁声波，会在平行方向出现不可忽略的电场，这导致在平行方向背景电子被非常有效的能化。在垂直方向上，背景电子也会由于电场漂移被有效的能化。而对于背景质子，磁声波只能在垂直方向对其加热，而在平行方向，其能量没有明显变化。
　　4.磁声波的波波相互作用
　　利用一维的粒子模拟程序，研究了磁声波的波波相互作用问题。粒子模拟得到的环状分布质子激发的磁声波会出现一些线性理论无法给出的低频的磁声波波模。由于磁声波的频率通常处在质子回旋频率的整数倍，而且在半低混杂频率以下的磁声波色散曲线近似为直线，所以磁声波的波模之间很容易满足波波相互作用条件，诊断了模拟得到的磁声波的色散关系和双相干系数，发现低频的磁声波是由于环状分布质子激发的较高频率的磁声波通过波波相互作用激发的。
　　5.偶极磁场中的磁声波
　　利用二维偶极坐标系粒子模拟程序，研究了地球偶极磁场中磁声波的激发与演化。模拟中包含三种等离子体成分，背景的冷电子和冷质子分布在整个模拟平面，而环状分布质子只分布在模拟中心附近的局部区域。发现环状分布质子会在局地激发磁声波，磁声波的传播方向几乎是垂直于背景磁场的。磁声波在沿着径向传播到环状分布质子边界时会发生反射，部分磁声波被反射后向源区传播，而另一部分磁声波会穿过环状分布质子边界继续向外传播。与此同时，磁声波会与背景冷等离子体发生相互作用，背景的冷等离子体会被能化，而磁声波会被耗散。因此，部分离开源区的磁声波很快被背景等离子体耗散。环状分布质子边界的反射和背景等离子体的耗散，导致了磁声波被限制在环状分布质子源区附近。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 地球磁层与范艾伦辐射带

1．1．1 辐射带

1．1．2 环电流

1．1．3 等离子体层

1．2 内磁层粒子的周期运动

1．2．1 回旋运动与引导中心理论

1．2．2 弹跳运动

1．2．3 漂移运动

1．3 内磁层中的电磁波

1．3．1 超低频波

1．3．2 合声波与嘶声波

1．3．3 电磁离子回旋波

1．3．4 磁声波

1．4 论文研究内容

2．1．1 线性理论

2．1．2 粒子模拟

2．2 连续谱磁声波的形成机制

2．2．1 参数设置

2．2．2 研究结果

2．3 磁声波激发的参量研究

2．3．1 线性理论结果

2．3．2 一维粒子模拟结果

2．4 小结

第三章 磁声波的波粒和波波相互作用

3．1 磁声波与粒子的相互作用

3．1．1 模拟参数

3．1．2 模拟结果

3．2 磁声波的波波相互作用

3．3 本章小结

第四章 偶极场中磁声波的激发与传播

4．1 偶极坐标系粒子模拟程序

4．1．1 偶极坐标系

4．1．2 基本算法

4．1．3 模拟参数

4．2 偶极场中磁声波的激发与传播

4．3 本章小结

第五章 总结和展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果