磁层中哨声波与电子的相互作用

哨声波与磁层中电子的非线性相互作用,导致电子投掷角降低,沉降到低电离层,引起局部电离增强,而诱发Trimpi效应。本文讨论波-粒子相互作用的过程,并利用超粒子法进行了计算机模拟。计算结果指出共振不仅与电子的速度有关,而且与电子初始拉莫尔相位角有关;计算得到了相互作用时共振电子相位聚焦效应、非共振电子相位聚束效应及电子速度-相位空间中的不均匀振荡等一些结果。同时,也给出了波-电子相互作用引起的沉降电子能量通量随时间的变化和沉降电子的能量分布。     

多离子空间等离子体中快磁声波与粒子的回旋共振特性

快磁声波是空间等离子体中一种接近垂直传播的右旋极化电磁波,能够在等离子体层内外传播.快磁声波与带电粒子的回旋共振相互作用能够导致高能电子随机加速和投掷角扩散、能量质子投掷角扩散等,从而影响辐射带高能带电粒子的动态过程.分别基于完整的色散关系和高密度近似的色散关系,在不同空间等离子体条件下研究多离子空间等离子体中不同传播角的快磁声波色散曲线,并计算了快磁声波与H⁺,He⁺和O⁺离子的最小共振能量.结果表明,当传播角较小时,采用高密度近似与采用完整色散关系计算的离子最小共振能量没有太大差别.在中低密度中强磁场空间等离子体中,传播角≥ 88°时高密度近似色散关系会带来很大的误差,因此应利用完整色散关系计算最小共振能量.     

等离子体哨声波性质的实验研究

哨声波是地球内磁层中常见的一种等离子体波动, 其不仅可以加速电子到相对论能量, 还可散射电子沉降到大气层形成弥散极光. 哨声波是一支右旋偏振波, 在空间等离子体中其等相位面通常被认为是一个平面. 近年来, 地面等离子体实验正在成为研究哨声波激发和传播的一种重要手段. 本文在中国科学技术大学线性磁化等离子体装置(KLMP)上开展了磁环天线激发波动的实验, 并利用3D磁探针测量了波动磁场的演化信息. 测量结果发现, 磁环天线激发了一种等相位面为螺旋状的右旋偏振波动, 根据天线设置的不同, 螺旋波模数分别为m=0和m=1. 通过计算波动的波长和频率, 确定这种螺旋波满足哨声波的色散关系, 为进一步在等离子体实验装置中研究哨声波打下了基础.     

损失锥电子速度分布激发的哨声波

利用一维粒子模拟方法研究了损失锥电子速度分布激发的哨声波非线性演化过程, 并与双麦克斯韦电子分布激发哨声波的情况进行了比较. 结果表明, 这两种情况下, 在线性增长阶段哨声波的主导频率 (能量最集中的一个频率) 是一样的, 波动的激发使得平行于背景磁场方向的电子温度有所提高. 比较而言,在损失锥分布情况下, 哨声波具有主导频率的波模可较早地被激发, 而在线性增长阶段, 哨声波的能量更倾向于集中在高频(短波长)波段. 部分粒子被散射到损失锥中, 而使损失锥分布得以补充. 本文还研究了不同各向异性分布和磁场强度条件下的激发过程.     

磁云边界层内朗缪尔波活动现象的初步研究

对35例磁云边界层内朗缪尔波活动现象进行了初步分析, 发现两类磁云边界层内特有的朗缪尔波活动现象. 一类是相对于邻近鞘区和磁云本体, 整个边界层内朗缪尔波活动增强; 另一类是短时间的朗缪尔波爆发现象, 同时伴随着宽频带的多普勒频移离子声波活动. 考察了其中一例朗缪尔波爆发事件对应的高分辨率电子分布函数数据, 发现速度约为7×10³ km/s的电子束流形成尾峰分布不稳定性导致了朗缪尔波的爆发.     

Nonplanar electron acoustic shock waves

The properties of cylindrical and spherical electron acoustic shock waves (EASWs) in an unmagnetized plasma consisting of cold electrons, immobile ions and Boltzmann distributed hot electrons are investigated by employing the reductive perturbation method. A Korteweg–de Vries Burgers (KdVB) equation is derived and its numerical solution is obtained. The effects of several parameters and ion kinematic viscosity on the basic features of EA shock waves are discussed in nonplanar geometry. It is found that nonplanar EA shock waves behave quite differently from their one-dimensional planar counterpart.     

Study of VLF wave with relativistic effect in Saturn magnetosphere in the presence of parallel A.C. electric field

Cassini radio and plasma wave surveys aim to study radio emissions, plasma waves, thermal plasma and dust near Saturn. Using the characteristic solution and dynamics method, the influence of electron beam on the loss cone and bi-Maxwellian distribution of whistler mode waves in the parallel alternating electric field and magnetic field is studied. The dispersion relation and the growth rate of Saturn's magnetic layer were deduced and calculated in detail. Parameter analysis is performed by changing the parameters of the plasma like number density, AC frequency, temperature anisotropy, etc. The influence of AC frequency on Doppler shift and the comparative study of growth rate of oblique and parallel propagating waves are analyzed using generalized distribution function. We found temperature anisotropy ${\text{A}}_{\text{T}}=1.25$ can explain the linear spatiotemporal growth rate of whistler mode waves. It provides the majority of the observed frequency integral power. It can be seen that the effective parameters for the generation of Whistler mode waves are not only temperature anisotropy, but also the relativistic factors discussed in the results and discussion section, and the AC field frequency and width of the loss cone distribution function.     

真空中连续发射电子束形成的电子鞘层的空间结构

用双流理论模型研究真空中电子束的发射实验。向真空中发射电子束过程中,发射体本身被充正电,束缚束电子向外传播,大量的束电子在发射体表面附近形成电子鞘层;只有极少量的束电子可以逃离发射体而向外传播出去。在电子鞘层内,发射出的束电子和返回发射体表面的束电子形成速度和密度在空间为分布不均匀的双流。本文用双流理论模型解析计算出了电子鞘层的空间尺度、电子鞘层内的电场分布以及电子密度分布。     

左旋寻常的极光千米波与辐射带高能电子相互作用的参数化研究

参数化研究了在L=4.5外辐射带区域左旋寻常（Left-hand Ordinary mode, L-O模）的极光千米波与高能电子的相互作用,定量计算了左旋寻常的极光千米波在不同峰值频率、传播角分布和纬度分布条件下的弹跳平均投掷角扩散系数、动量扩散系数和投掷角–动量交叉扩散系数。计算结果表明,动量扩散系数一般比投掷角扩散系数大100倍左右,说明动量扩散在L-O模与电子间的相互作用中起主导作用。随着传播角范围的改变,扩散系数均未发生明显变化,这说明L-O模与电子相互作用的扩散系数对传播角范围的依赖性很小。此外,扩散系数会因为L-O模纬度分布的改变而发生剧烈变化,该结果与之前得到的纬度分布对右旋奇异的极光千米波的影响是一致的。通过参数化研究结果表明,适当条件下,L-O模可能会显著影响外辐射带高能电子的动力学过程。     

南京地区斜向加热电离层效应数值模拟

与垂直加热相比,斜向加热电离层具有灵活性高、影响范围广和便于实际操作等优势.在非偏区考虑欧姆吸收,基于电子能量方程和连续性方程构建电波斜向加热低电离层的物理模型,并利用IRI-2007和NRLMSISE-00经验模型提供的背景参数对南京地区斜向加热低电离层进行数值模拟,对比不同加热条件下电子温度和电子密度的扰动情况.研究结果表明：电波加热效果随入射仰角和有效辐射功率的增大而增大;电子温度和电子密度增幅随电波频率增大而减小;X波模比O波模造成的电子温度扰动幅度和电子密度扰动幅度更大,同时X波模比O波模能更快地使电子温度和电子密度达到稳定状态;一定范围内较小仰角、较低频率、较大有效辐射功率的电波能使电子密度更快达到稳定,后两者还能加快电子温度达到稳定的过程;电子温度达到稳定所需时间随入射电波仰角呈单峰变化,仰角为62°时达到最大.

     

Nonlinear electron-acoustic rogue waves in electron-beam plasma system with non-thermal hot electrons

The properties of nonlinear electron-acoustic rogue waves have been investigated in an unmagnetized collisionless four-component plasma system consisting of a cold electron fluid, non-thermal hot electrons obeying a non-thermal distribution, an electron beam and stationary ions. It is found that the basic set of fluid equations is reduced to a nonlinear Schrodinger equation. The dependence of rogue wave profiles on the electron beam and energetic population parameter are discussed. The results of the present investigation may be applicable in auroral zone plasma.     

太阳高能电子束通过空间振荡轴向场产生的电磁不稳定性

本文基于太阳高能电子和日冕区开放场及行星际磁场特征,建立了相对论电子束与伴有空间变化（空间周期变化）的轴向场相互作用模型,用数值方法研究了该体系产生的电磁不稳定性,结果指出只有当太阳高能电子束速度和空间振荡场波数大到一定程度时,该体系才可激发在旋电磁模不稳定性,当太阳高能电子束逐一通过日冕和行星际空间时,激发具有波频向低频漂移特征的电磁波．     

磁场重联中的哨声波与Hall效应

数值研究Hall电流效应对于重联动力学特征及波动特性的影响.结果表明,具有强Hall效应的算例,重联出流区张角大,重联率高.对于不同Hall效应的算例,应用快速傅里叶变换(FFT),将平面外磁场By分量和(x,z)平面内的速度分量vx,vz位于给定点的时间序列转换为功率谱,并对电场E采用最小方差分析法,确定波的传播方向与偏振特性.研究发现,在强Hall效应的算例中,磁分界线附近存在具有典型特征的哨声波,Hall效应减弱,则波动信号减弱.上述结果表明,Hall电流效应对重联动力学特征具有重要影响,是产生哨声波和快速重联率的关键因素;此外,对于强Hall效应的算例,磁分界线附近哨声波幅度与平面内场向电流Jp间存在正相关关系,它从另一个侧面展示了哨声波与Hall效应间的重要联系.     

无碰撞电流片哨声波不稳定性

通过数值求解文献[4]中物理模型A得到的一般形式的色散关系,讨论了无碰撞电流片低频波不稳定性问题.结果表明,哨声波能被无碰撞电流片直接激发.在中性片上(z/d_i=0),在较宽的波数范围内,斜哨声波是可以传播的,但它基本上是稳定的.在离子惯性区内(z/d_i<1,电子惯性区外),斜传播的哨声波是不稳定的.在离子惯性区边缘(z/d_i=1),斜传播的哨声波仍然是不稳定的,增长率更大,不稳定的波频率范围更高.此外,朝向中性片方向传播(k_zd_i<0)的哨声波比离开中性片方向传播(k_zd_i>0)的哨声波有更大的增长率.     

Whistler waves in plasmas with time-varying magnetic field: Laboratory investigation

Modulation of whistler waves in a plasma with time-dependant magnetic field perturbations was investigated experimentally. The experiments were performed on large “Krot” device, which was specially designed to study space plasma physics phenomena. It is shown that magnetic field variations on the wave propagation path can lead to splitting of initially continuous whistler wave into the sequence of bursts, whose repetition rate corresponds to magnetic field perturbation period. The frequency inside each burst is changing from its front edge to the back edge. Relative shift of the wave frequency can be as large as the relative magnetic disturbance. Distortion of whistler wave frequency spectrum after its passing through magnetically disturbed areas can be used as a diagnostics for low-frequency magnetic field variations. The applicability of our laboratory results to space plasma is discussed.     

太阳风质子束流的演化

太阳神飞船观测表明,太阳风高速流中质子束分量相对于核分量的密度随日心距离增加而增加。提出解释这一观测现象的机理并给出二维数值模拟结果。由于阿尔芬波速随日心距离增加而减少,第二支左旋波将与更多的质子共振,把部分原来属于核分布的质子拉到束分布中来。用数值模拟方程方法求解回旋波共振导致的准线性扩散方程,数值结果与观测结果相符合。