伴随背景等离子体密度下降的磁声波激发机制及其电子散射效应研究

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基于范阿伦双星的高质量波动和粒子观测数据,我们发现有一类磁声波与背景等离子体密度变化有很强的关联性,具体表现为:当开始观测到磁声波时,背景等离子体密度同步下降;之后当不再观测到磁声波时,背景等离子体密度又同步上升。整个过程中背景等离子体密度呈现槽区特征。针对该类磁声波现象,本文从伴随背景等离子体密度下降的磁声波的统计分布特性、激发机制及其对辐射带电子的散射作用三部分展开系统、详细的研究,得到的结论如下:(1)通过范阿伦双星2012-2017年的观测数据,我们筛选出35个伴随等离子体密度下降的磁声波事件,并详细分析了该类磁声波事件的统计分布特性。结果表明,该类磁声波主要分布在L值在3到5之间,磁纬度范围为北纬4°至南纬2°,磁地方时主要位于昏侧和夜侧(MLT范围为15-24),持续时长为5分钟至3小时。大部分事件集中在等离子体层顶内,等离子体密度约为100-200 cm-3,该区域内波幅范围为4-98 p T,呈离散状分布;少部分事件发生在等离子体层顶外,等离子体密度约为10-25 cm-3,波幅范围为16-62 p T,分布较为集中。且该类磁声波事件的频谱呈现明显的离散波谱形式,归一化频率范围为1-40,功率谱密度范围为10-6~10-3 n T~2/Hz。此外,该类磁声波事件对应的AE指数范围主要集中在27-300 n T,SYM-H指数范围为~-45-0 n T,Kp指数范围为0-5,以上地磁活动指数的统计表明该类磁声波发生时相应的地磁活动较弱。(2)根据等离子体波动激发理论,磁声波是由质子环状分布提供自由能量激发,且激发的磁声波频谱范围受背景等离子体密度的调制。为了研究这一机制,我们选取范阿伦A卫星于2013年1月15日观测到的一个典型磁声波事件进行分析。该事件磁声波频谱范围是20-34Ωp,对应背景等离子体密度为134 cm-3,粒子数据显示该事件中~2-20 ke V能量的质子分布函数具有正梯度特征。此后当磁声波消失时,背景等离子体密度升至535 cm-3。根据等离子体波动激发理论,我们分别计算背景等离子体密度低和高时,质子环状分布激发的磁声波频率范围。首先我们采用了两个部分壳和双麦克斯韦函数叠加的质子分布函数,对低背景等离子体密度时的质子环状分布进行拟合,得到的磁声波频率范围分别为22-40Ωp和19-37Ωp。然后我们利用相同的拟合函数,修改拟合参数后计算了高背景等离子体密度的情况,计算结果为4-30Ωp。我们的计算结果表明,磁声波可以由正梯度的质子环状分布激发,且背景等离子体密度可以调制磁声波频率:当背景等离子体密度越大,能够激发的磁声波频率范围越低,理论计算与实际观测结果趋势一致。(3)为研究伴随背景等离子体密度下降的磁声波对辐射带电子的散射作用,我们选取了范阿伦B卫星于2013年7月26日和2013年9月19日观测的A、B两个典型的该类磁声波事件,然后利用试验粒子模拟计算对辐射带电子的二维扩散系数,并代入二维福克-普朗克扩散方程求解外辐射带电子相空间密度在此类磁声波作用下随时间的演化过程。结果表明,该类磁声波可以通过朗道共振主导的联合散射对辐射带电子产生明显的散射效应。其中,A事件的磁声波能在一天时间内对能量为31 ke V,投掷角为50°-60°的电子和能量为101 ke V,投掷角范围为60°-80°的电子产生明显的散射效果,形成电子投掷角的蝴蝶形分布,对应的扩散系数为~10-6 s-1。由于该磁声波对电子散射的共振区间主要集中在60°-80°投掷角范围,20-200 ke V能量范围,因此磁声波对能量大于350 ke V的电子则没有明显散射效果。B事件的磁声波能在一天时间内对能量为101 ke V,投掷角为50°-70°的电子和能量为350 ke V,投掷角为60°-80°的电子产生明显的水平加速形成电子投掷角的蝴蝶形分布,对应的扩散系数为~10-5 s-1。而该磁声波对电子散射的共振区间主要集中在50°-80°投掷角范围,20-400 ke V能量范围,因此能量低于31 ke V和高于350 ke V的电子受到的加速效果比较弱。此外,磁声波对电子的散射效应与波幅的平方成正相关,因此波幅越大,磁声波加速电子的效果更强。
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