地球内磁层中波粒相互作用的模拟和观测研究

摘要

内磁层中捕获有大量不同能量的带电粒子，存在着多种不同频率的等离子体波动。波粒相互作用对于内磁层中等离子体波动的激发以及带电粒子的动力学演化均有着极为重要的意义。本论文主要从准线性理论模拟、试验粒子模拟以及观测资料分析三个方面，对内磁层中的一种重要的波粒相互作用——回旋共振进行全面的分析。
　　在第一章中，我们介绍了地球内磁层中的带电粒子成分和主要等离子体波动，阐述了波粒相互作用的概念和意义。
　　在第二章中，我们采用了完整的多成分冷等离子体色散关系，建立了一个全新的准线性扩散系数模型。该模型能够计算冷等离子体波动与任意带电粒子的回旋共振的扩散系数。我们分析了多种典型波模对辐射带电子以及环电流质子的作用，详细研究了不同中心频率的快磁声波对辐射带电子的加速效果。
　　在第三章中，我们建立了一个描述辐射带电子和环电流质子与单色平行传播的电磁离子回旋波共振特性的试验粒子模型。我们分析了在大振幅的回旋波作用下电子和质子表现出的三种非线性机制的特征，对比研究了试验粒子模型输运系数与准线性输运系数，强调了非线性作用的显著影响。
　　在第四章中，我们介绍了范艾伦探测器和电磁波动分析方法。我们利用范艾伦探测器数据首次观测证实了等离子层外嘶声波的起源，并通过准线性理论首次定量分析了等离子层外嘶声波对辐射带电子的损失作用。
　　在第五章中，我们总结了我们所采用的研究方法和所取得的研究结果，并展望了未来的研究方向。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 内磁层带电粒子成分和运动

1．1．1 等离子体层

1．1．2 环电流

1．1．3 范艾伦辐射带

1．1．4 带电粒子的周期性运动

1．2 内磁层主要等离子体波动

1．2．1 电磁离子回旋波

1．2．2 快磁声波

1．2．3 哨声模嘶声波

1．2．4 哨声模合声波

1．3 波粒相互作用的概念及其在内磁层中的意义

第二章 准线性波粒相互作用

2．1 引言

2．2 扩散系数表达式

2．2．1 波动的频率和法向角分布

2．2．2 局地扩散系数

2．2．3 弹跳平均

2．2．4 物理意义

2．3 典型算例

2．3．1 哨声模合声波

2．3．2 哨声模嘶声波

2．3．3 电磁离子回旋波

2．4 快磁声波的加速作用对于中心频率的依赖

2．4．1 研究背景

2．4．2 扩散系数

2．4．3 电子相空间密度的演化

2．5 小结

第三章 非线性波粒相互作用

3．1 引言

3．2 基本方法

3．3 电磁离子回旋波与辐射带电子共振

3．3．1 基本方程

3．3．2 理论分析

3．3．3 三种典型的非线性作用

3．3．4 初始纬度的依赖关系

3．3．5 输运系数

3．4 电磁离子回旋波与环电流质子共振

3．4．1 定性分析

3．4．2 典型非线性机制

3．5 小结

第四章 内磁层波动观测

4．1 引言

4．2 范艾伦探测器

4．2．1 ECT仪器

4．2．2 EFW仪器

4．2．3 EMFISIS仪器

4．3 分析方法

4．3．1 傅立叶变换

4．3．2 奇异值分解方法

4．4 等离子体层外嘶声波的起源和作用

4．4．1 研究背景

4．4．2 观测数据

4．4．3 等离子体层外嘶声波起源的证据

4．4．4 辐射带电子的投掷角散射

4．5 小结

第五章 总结和展望

参考文献

致谢

个人简历