本文關(guān)鍵詞：太陽風(fēng)加熱和地球輻射帶演化中的波粒相互作用，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：波和帶電粒子相互的作用一直都是空間等離子體中的重要課題。本文主要關(guān)注波粒相互作用在太陽風(fēng)加熱和地球輻射帶演化過程中的應(yīng)用。我們利用一維和二維混合模擬方法來研究快速太陽風(fēng)中的離子/離子不穩(wěn)定性,以及阿爾文波的參量不穩(wěn)定性。另外,我們利用大量的衛(wèi)星數(shù)據(jù),包括THEMIS,GOES,POES,和太陽風(fēng)數(shù)據(jù),統(tǒng)計分析合聲波的頻譜半寬和相干系數(shù),給出合聲波的激發(fā)機制的觀測證據(jù),探究太陽風(fēng)對輻射帶相對論電子通量驟降事件影響。本文的主要結(jié)論如下： 1.快速太陽風(fēng)中的離子/離子不穩(wěn)定性 利用二維混合模擬方法,我們研究了氦離子/質(zhì)子不穩(wěn)定的非線性演化過程。我們進一步發(fā)現(xiàn),不穩(wěn)定性激發(fā)的斜向傳播的阿爾文波具有線偏振特性。同時,背景質(zhì)子和氦離子都能被該斜向傳播的阿爾文波共振加熱。 利用二維混合模擬方法,我們還研究了質(zhì)子/質(zhì)子不穩(wěn)定性的性質(zhì)。斜向傳播的阿爾文波會在不穩(wěn)定性演化過程中被激發(fā)。不穩(wěn)定性線性增長階段,激發(fā)的阿爾文波是線偏振的,并且能夠共振加熱背景質(zhì)子和重離子06+。加熱主要是發(fā)生在垂直于背景磁場方向上。然而,隨著不穩(wěn)定性的演化,阿爾文波逐漸轉(zhuǎn)變成左旋偏振,而且不能夠再繼續(xù)共振加熱背景質(zhì)子和重離子。此外,我們還考慮了等離子體β和背景質(zhì)子的溫度各向異性對不穩(wěn)定性演化的影響。 2.快速太陽風(fēng)中的阿爾文波的參量不穩(wěn)定性 利用二維混合模擬方法來研究冷等離子中單色阿爾文波的參量衰變不穩(wěn)定性。我們同時考慮了線偏振和左旋偏振兩種阿爾文波。對于線偏振阿爾文波,平行傳播和斜向傳播的泵波都能發(fā)生垂直背景磁場方向的衰變。初始階段,參量衰變主要在沿著泵波的傳播方向上激發(fā),隨后會逐漸發(fā)展到垂直方向上。隨著泵波振幅和傳播角的增加,垂直方向激發(fā)的波譜將會越發(fā)展寬。等離子體β對垂直方向的衰變幾乎沒有影響。對于左旋偏振的阿爾文波,當(dāng)泵波沿著背景磁場方向傳播時,參量衰變只是限制在背景磁場方向上,沒有明顯的垂直衰變；只有當(dāng)泵波是斜向傳播的時候垂直衰變才能發(fā)生。 我們利用一維混合模擬方法來研究質(zhì)子-電子-氦離子等離子體體系中的阿爾文波的參量不穩(wěn)定性。當(dāng)不存在氦離子時,隨著泵波波數(shù)的增加,衰變不穩(wěn)定性的增長率將會增加,而密度擾動的飽和振幅略有下降。但是,當(dāng)存在氦離子,并且與質(zhì)子存在較大的相對速度時,在一定波數(shù)范圍內(nèi),不穩(wěn)定性的增長率和擾動密度的飽和振幅會變得很低,參量衰變被顯著抑制。在這些波數(shù)范圍內(nèi),氦離子和激發(fā)的反向傳播的阿爾文波滿足共振關(guān)系。因此,氦離子和阿爾文波的共振相互作用對參量不穩(wěn)定性具有抑制作用。 采用同樣方法,我們對質(zhì)子-電子-氦離子等離子體體系中的單色阿爾文波的參量不穩(wěn)定進行了更進一步的分析。當(dāng)質(zhì)子和氦離子的相對速度足夠大時,參量衰變激發(fā)的后向傳播的阿爾文波在不穩(wěn)定性的非線性演化階段會通過調(diào)制不穩(wěn)定性向大波數(shù)串級。與此同時,氦離子會被這些波動共振加熱。另一方面,如果兩者相對速度比較小,氦離子只會在參量衰變的線性增長階段被明顯加熱,這里主要是與激發(fā)的密度模發(fā)生了朗道共振。因此,加熱主要是在平行方向上,而在垂直方向上沒有明顯加熱。 3.地球磁層中的電子哨聲波的統(tǒng)計 利用THMIS的高頻電磁場數(shù)據(jù),我們對磁層中的升調(diào),降調(diào),和類嘶聲合聲波的頻譜半寬和相干系數(shù)進行了統(tǒng)計和分析。同時,我們還討論了它們與空間位置,電子密度,等離子體頻率和局地的電子回旋頻率的比值(fep/fce),以及波的振幅的關(guān)系。觀測結(jié)果表明,升調(diào)和降調(diào)合聲波的頻譜半寬很窄((～0.01fce),要小于類嘶聲合聲波(～0.025fce)。同時,間斷合聲波的頻譜半寬會隨著波的振幅增加而減小,而類嘶聲合聲波的頻譜半寬卻隨著波的振幅增加而變大。升調(diào)和降調(diào)合聲波的相干系數(shù)極大(～1),而類嘶聲合聲波的相干系數(shù)要小一些,但仍然大于0.5。對于所有類型的合聲波,頻譜半寬與局地的fpe/fce是是正相關(guān)的,而與電子密度是反相關(guān)的。準(zhǔn)線性理論被廣泛用于描述輻射帶電子和哨聲波的相互作用。我們的結(jié)果表示,由于升調(diào)和降調(diào)合聲波的頻譜半寬很窄,相干系數(shù)極大,準(zhǔn)線性理論并不完全適用,但是對于振幅不是極大的類嘶聲合聲波依然是適用的。 線性理論指出哨聲波的增長率正比于熱電子(-1to30keV)的數(shù)密度和所有電子的數(shù)密度比值(Nh/Nt),并且非線性波理論指出升調(diào)合聲波的激發(fā)需要一個最優(yōu)的線性增長率。利用THEMIS近五年的突發(fā)波形的數(shù)據(jù),我們分別研究升調(diào)合聲波,降調(diào)合聲波,和類嘶聲合聲波的Nh/Nt與波的振幅／發(fā)生率之間的關(guān)系。統(tǒng)計結(jié)果表明,升調(diào)和降調(diào)合聲波發(fā)生的主要區(qū)域具有很窄的Nh/Nt范圍,而類嘶聲合聲波的發(fā)生率和振幅都隨著Nh/Nt的增加而增加。我們的觀測結(jié)果不僅為類嘶聲合聲波的激發(fā)機制提供了線索,而且為升調(diào)合聲波的非線性激發(fā)理論提供了觀測的證據(jù)。 4.太陽風(fēng)參數(shù)在相對論電子通量驟降事件中的作用 通過時序疊加方法,我們分析了近16年的193個較強的相對論電子通量驟降事件,以此來研究太陽風(fēng)參數(shù)在相對論電子通量驟降事件中所起的作用。我們發(fā)現(xiàn),太陽風(fēng)動壓和行星際磁場BZ分量都起到了重要的作用,不管是很強的太陽風(fēng)動壓,還是很強的行星際南向磁場都能夠引起相對論電子通量的降低。相對論電子通量驟降事件不僅能發(fā)生在磁層頂靠近地球的期間,而且能發(fā)生在磁層頂遠離地球(～10Re)的情況。更為重要的是,我們結(jié)果還指出,除了通過增加太陽風(fēng)動壓而將磁層頂推向地球,從而導(dǎo)致相對論電子從磁層頂損失以外,相對論電子還能在行星際磁場南向期間被散射到損失錐內(nèi),進而沉降到大氣中。這是因為行星際磁場南向能夠為電磁離子回旋波的激發(fā)提供充足的自由能。支持該結(jié)論的觀測證據(jù)是,最強的相對論電子沉降是在黃昏側(cè)被觀測到的,而且這一位置同時也是電磁離子回旋波的主要源區(qū)。
【關(guān)鍵詞】：快速太陽風(fēng) 阿爾文波 混合模擬 參量不穩(wěn)定性 重離子加熱 輻射帶合聲波 電磁離子回旋波 電子損失 相對論電子 電子沉降 磁層頂逃逸 太陽風(fēng)動壓 行星際磁場
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：P353.8
【目錄】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-12
• 目錄12-14
• 第一章 引言14-56
• 1.1 天然等離子體實驗室：太陽風(fēng)14-26
• 1.1.1 太陽風(fēng)的觀測特征和熱點問題15-16
• 1.1.2 電磁離子/離子不穩(wěn)定性16-20
• 1.1.3 阿爾文波的非線性演化20-26
• 1.2 高能粒子聚集區(qū)：范艾倫輻射帶26-53
• 1.2.1 地球輻射帶中的帶電粒子29-36
• 1.2.2 地球磁層中的等離子體波動36-44
• 1.2.3 電子輻射帶的演化44-52
• 1.2.4 THEMIS,GOES,以及POES衛(wèi)星的介紹52-53
• 1.3 論文研究內(nèi)容53-56
• 第二章 斜向傳播的阿爾文波的激發(fā)以及對太陽風(fēng)的加熱56-70
• 2.1 混合模擬方法介紹56-57
• 2.2 氦離子/質(zhì)子不穩(wěn)定性加熱背景等離子體57-62
• 2.2.1 斜向傳播阿爾文波的激發(fā)57-60
• 2.2.2 各種離子成分的速度分布的演化60-62
• 2.3 質(zhì)子/質(zhì)子不穩(wěn)定性對快速太陽風(fēng)的加熱62-68
• 2.3.1 不穩(wěn)定性的激發(fā)和波動的特征63-64
• 2.3.2 背景質(zhì)子和氧離子的加熱過程64-67
• 2.3.3 不同等離子體參數(shù)對加熱過程的影響67-68
• 2.4 結(jié)論和討論68-70
• 第三章 阿爾文波的參量不穩(wěn)定性在太陽風(fēng)演化中的作用70-90
• 3.1 阿爾文波在垂直方向上的參量衰變70-76
• 3.1.1 平行和斜向傳播的線偏振阿爾文波的參量衰變70-74
• 3.1.2 平行和斜向傳播的左旋阿爾文波的參量衰變74-76
• 3.2 質(zhì)子-電子-氦離子等離子體中的阿爾文波的參量不穩(wěn)定性76-87
• 3.2.1 氦離子束流對衰變不穩(wěn)定性的抑制作用77-81
• 3.2.2 參量不穩(wěn)定性產(chǎn)生的波動對離子的加速和加熱81-85
• 3.2.3 不同等離子體參數(shù)下氦離子的加熱85-87
• 3.3 結(jié)論和討論87-90
• 第四章 地球磁層中哨聲波的精細結(jié)構(gòu)和激發(fā)機制90-104
• 4.1 磁層中哨聲波事例的數(shù)據(jù)庫的建立90-91
• 4.2 哨聲波的頻譜半寬和相干系數(shù)的統(tǒng)計91-98
• 4.2.1 頻譜半寬和相干系數(shù)的計算方法91-94
• 4.2.2 頻譜半寬和相干系數(shù)的全球分布94-98
• 4.3 哨聲波激發(fā)機制的觀測證據(jù)98-102
• 4.4 結(jié)論和討論102-104
• 第五章 地球輻射帶相對論電子通量的驟降現(xiàn)象104-114
• 5.1 輻射帶相對論電子通量驟降事例的挑選104-106
• 5.2 太陽風(fēng)在相對論電子通量驟降中所起的作用106-113
• 5.2.1 利用太陽風(fēng)動壓和南北向磁場對事例分類106-107
• 5.2.2 太陽風(fēng)動壓的作用107-109
• 5.2.3 行星際南向磁場的作用109-111
• 5.2.4 相對論電子的沉降隨磁地方時的分布111-113
• 5.3 結(jié)論和討論113-114
• 第六章 總結(jié)和展望114-118
• 參考文獻118-128
• 致謝128-130
• 研究生期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與取得的其他研究成果130-131

【共引文獻】

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本文編號：381067