地球磁层中合声波的扫频机制研究

哨声模合声波是地球磁层中常见且重要的电磁波动，其扫频结构的激发机制经过了近几十年的研究取得了重要进展. 本文以合声波扫频结构激发模型的发展为脉络，结合卫星观测和数值模拟方法，讨论波动扫频结构的激发条件，扫频激发过程中的非线性波粒相互作用，以及历史上两类主流的合声波激发模型. 其中一种模型的扫频率正比于背景磁场不均匀度，与地球磁层中的观测吻合较好，但无法解释均匀磁场下的扫频；另一种正比于波动振幅，可以被自洽的粒子模拟所验证，但两种扫频率的形式迥异. 本文将重点回顾最新提出的命名为“TaRA”（Trap-Release-Amplify）的理论模型. 该模型根据波动传播方向，将空间中赤道附近区域（即...

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Published in:地球与行星物理论评 2022-01, Vol.53 (5), p.567
Main Authors: 滕尚纯, 陶鑫, Teng Shangchun, Tao Xin
Format: Article
Language:Chinese
Subjects:
Earth
Electromagnetic radiation
Electrons
Emissions
Equator
Magnetic fields
Mathematical models
Upstream
Wave power
Wave propagation
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Description
Summary:哨声模合声波是地球磁层中常见且重要的电磁波动，其扫频结构的激发机制经过了近几十年的研究取得了重要进展. 本文以合声波扫频结构激发模型的发展为脉络，结合卫星观测和数值模拟方法，讨论波动扫频结构的激发条件，扫频激发过程中的非线性波粒相互作用，以及历史上两类主流的合声波激发模型. 其中一种模型的扫频率正比于背景磁场不均匀度，与地球磁层中的观测吻合较好，但无法解释均匀磁场下的扫频；另一种正比于波动振幅，可以被自洽的粒子模拟所验证，但两种扫频率的形式迥异. 本文将重点回顾最新提出的命名为“TaRA”（Trap-Release-Amplify）的理论模型. 该模型根据波动传播方向，将空间中赤道附近区域（即波动源区）分为上下游. 这两个区域在波动激发过程中扮演着不同的角色. 在下游区域，非线性波粒相互作用形成了相干的电子相空间结构；而在上游区域，当满足相位锁定条件时，为使得波动和粒子能量传输达到最大化，电子会选择性放大新的波动，造成波动扫频结构的形成. 本文还将比较TaRA模型与过去两类主流模型的异同. 合声波扫频机制的研究不仅可以解释与合声波精细结构有关的特征，加深理解波粒相互作用的非线性过程，还可以用于解释其他相关现象，如均匀磁场中合声波的扫频结构、地球磁层中电磁离子回旋波的扫频结构，以及存在于其它行星上的相关波动的扫频结构.
ISSN:2097-1893
DOI:10.19975/j.dqyxx.2022-032