基于范艾伦卫星观测的内磁层下频带合声波的全球与半球分布特性研究

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哨声模合声波是地球磁层中一种强电磁波模,既能加速辐射带电子至相对论能级,又可以散射辐射带能量电子到中高层大气造成其沉降损失。合声波与辐射带电子之间的波粒相互作用是导致辐射带电子增强事件的核心机制之一;另外,它导致的辐射带电子沉降能激发弥散极光和脉动极光现象,是影响磁层-电离层耦合系统的重要过程。其中,下频带合声波(即频率低于0.5电子回旋频率)发挥着重要的散射作用,是理解地球内磁层波粒相互作用过程、机制与效应的关键。本文以地球内磁层下频带合声波为研究对象,基于范艾伦卫星EMFISIS波动仪器采集的数据(超过100个月),开展下频带合声波空间分布特性的详细研究。主要研究内容包括:下频带合声波的平均波动磁场幅值Bw、平均波峰频率fm/fce和波动倾角WNA对空间位置参数,即磁壳值L、磁地方时MLT、磁纬度MLAT,和地磁活动指数AE*的依赖性分析及其发生率分布特征;在明晰其全球分布特征的基础上,开展了下频带合声波的(地磁南北)半球分布模式的详细分析,研究了其南北半球分布的异同性。本文的主要工作与结论如下:(1)利用范艾伦卫星勘察数据模式提供的波动频谱信息,采用了ECH波强度大小和等离子体密度陡降梯度两种方法并通过定量比较建立了更准确的等离子体层顶位置,在此基础上建立了更可靠的内磁层合声波观测数据库。(2)通过统计分析,细致描述了下频带合声波平均波动磁场幅值随MLAT的变化特征,即日侧、夜侧反转现象,且下频带合声波在晨间扇区可扩展至20°,而在午间扇区限制于~15°、在夜间扇区受限于~12°。中等幅值的下频带合声波在L~4-6.5的几乎所有MLT区间都存在,发生率的典型值为20%-30%;极强幅值的下频带合声波的发生率非常小,主要发生在夜侧、L~5-6范围内,典型的发生率<~1%。(3)统计而言,下频带合声波的Bw及fm/fce在南半球的峰值大于在北半球的峰值,尤其是在1200 MLT附近和0300-0600 MLT,而北半球则在黄昏扇区Bw更大。在强磁扰期,下频带合声波Bw在南半球的峰值可达~105 p T,大于在北半球的峰值~82 p T。下频带合声波在南、北半球对AE*均存在正向依赖性,分布区域广且呈现出明显的晨昏不对称性。下频带合声波发生率在南北半球的分布具有类似趋势,但是整体上下频带合声波在北半球的发生率更大,在中纬午间与午后区间波动发生率明显大于南半球的发生率。此外,低频区间的下频带合声波在北半球的发生率总体上大于南半球的发生率。(4)下频带合声波WNA发生率在北半球及南半球的分布趋势大致相同,均在倾角近场向区(10°附近)出现发生率的峰值。随着WNA的增大,其发生率在南、北半球均快速下降,南、北半球WNA发生率均在倾角近垂直区发生率最低。虽然南半球的下频带合声波WNA发生率在远场向区至近垂直区范围(70°附近)会出现一个微弱的二级峰值,但在北半球没有显示出类似的特征。本文开展下频带合声波的全球和(地磁南北)半球分布特性的细致研究,得到了关于该重要波动在不同半球分布的相似性和差异性,进一步完善了现有的内磁层合声波分布统计模型,可为后续深入、全面理解哨声模合声波的激发、传播以及定量分析合声波对辐射带电子的加速及损失效应提供更合理的波动模型支持。
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