基于试验粒子模拟的电离层人工调制激发的极低频和甚低频波对磁层高能电子的散射效应

电离层调制加热能够有效激发极低频和甚低频(ELF/VLF)波,其中向上传播进入磁层的ELF/VLF波能够与高能电子发生共振相互作用,具有人工沉降高能电子、消除辐射带等潜在实际用途.本文综合运用射线追踪和试验粒子方法模拟电离层人工激发的单频ELF/VLF波在电离层和磁层的传播,以及在外辐射带层与高能电子的共振相互作用过程,通过投掷角和能量散射系数评估人工ELF/VLF波对磁层高能电子的共振散射效应.研究表明,电离层人工ELF/VLF波传播到磁层后呈现高倾斜性,传播所能跨域的空间范围主要取决于加热的纬度位置和调制频率.在内辐射带,与～100 keV到几个MeV高能电子发生一阶共振相互作用的为10 kHz的VLF波段;在外辐射带,为几百Hz到1 kHz的ELF波段.对于L=4.5的外辐射带,试验粒子模拟结果显示,单个粒子在人工ELF波作用下投掷角和能量(α,E)的改变具有随机性,而所有试验粒子平均化的?α2和?E2随时间呈现出近似线性的增大,说明波粒共振散射过程体现出整体性.基于试验粒子模拟得到的共振散射系数表明,幅度为10 pT的人工ELF波可在外辐射带的磁赤道局地对1 MeV电子产生较强的投掷角散射效应,进而影响高能电子的损失、沉降等动力学过程.当人工ELF/VLF波在传播过程中变得高度倾斜,不仅最基本的一阶共振十分重要,高阶共振散射也具有较大效应.这些定量分析结果表明,通过电离层加热激发人工ELF/VLF哨声波来沉降、消除辐射带高能电子具有可行性.     

低纬电离层人工调制所激发的ELF波射线追踪

通过大功率极低频(ELF)/甚低频(VLF)高频调幅波能有效地扰动低电离层电流, 形成等效的ELF/VLF电离层虚拟天线,辐射ELF/VLF波, 所辐射出的低频信号能够传播进入到磁层,对其传播特性的研究对于理解辐射带高能电子沉降具有重要意义.本文基于磁层射线追踪理论,通过数值模拟得到在低纬地区所激发出的ELF波在磁层中的射线路径,并对其特征进行分析.数值模拟结果表明, 从低纬激发的ELF波在南北半球来回弹跳,并逐渐传播到更远处,对于不同频率的ELF波, 频率越高,传播距离越近,频率越低,传播距离越远,在传播过程中, ELF波会逐渐倾向于在一个固定的磁层区域附近来回反射,在此过程中波法向角也逐渐变为90°,射线方向倾向于沿着背景磁场方向传播.     

场向传播的内磁层哨声波对辐射带高能电子的共振扩散

基于高斯分布的哨声波谱密度分布、偶极子背景磁场模型以及建立在卫星观测数据基础上的半经验电子密度纬度分布模型,对于等离子体层顶以外区域(4≤L≤7),计算了准线性当地及弹跳平均电子共振扩散系数,并估算了与磁层哨声波回旋共振导致的辐射带电子损失及加速时间尺度.结果表明,波粒共振相互作用区域取决于电子能量、波谱分布、电子赤道抛射角以及当地电子密度及背景磁场.哨声波共振频率除了与以上5个参量有关外,还与地磁纬度有关.赤道哨声波主要影响较低能量辐射带电子的加速,中高纬度哨声波主要作用于较高能量辐射带电 关键词： 共振波粒相互作用 地球辐射带 哨声波 回旋共振加速及散射沉降     

典型甚低频电磁波对辐射带高能电子的散射损失效应

辐射带中高能电子与空间甚低频电磁波由于波粒共振相互作用发生投掷角散射, 进而沉降入稠密大气而损失. 为研究甚低频电磁波对辐射带中高能电子的散射作用机制, 本文基于准线性扩散理论, 利用库仑作用和波粒共振相互作用扩散系数的物理模型, 得到了两组典型甚低频电磁波与高能电子波粒共振相互作用的赤道投掷角弹跳周期平均扩散系数, 并分析了甚低频电磁波共振散射作用与大气库仑散射作用对不同磁壳及不同能量的辐射带电子扩散损失的影响规律. 以磁壳参数L=2.2, 能量E=0.5 MeV的辐射带电子作为算例, 采用有限差分方法数值求解扩散方程, 计算分析了电子单向通量和全向通量随时间的沉降损失演化规律. 研究结果表明: 当电子能量大于0.5 MeV, 磁壳参数大于1.6时, 甚低频电磁波的共振散射作用显著; 随着磁壳参数或电子能量的增大, 斜传播甚低频电磁波引起的高阶共振相互作用越来越大; 电子全向通量近似随时间呈指数函数形式衰减.     

地基人工VLF 电波对辐射带电子的调制

辐射带电子的加速与沉降机理是空间物理研究的重要课题.法国DEMETER电磁卫星观测到了美国NPM发射站VLF信号及与之相关的高能电子沉降事例.本研究工作将根据基于回旋共振相互作用的准线性扩散理论,通过对局域投掷角扩散系数的计算,来说明受VLF影响的高能电子的投掷角分布与电子的能量及所处位置的关系.理论计算较好地解释了DEMETER卫星在NPM实验期间所观测到的电子沉降事例.在此基础上进一步讨论了通过人工方式对辐射带高能电子施加影响的效率问题. 关键词： 回旋共振 投掷角散射 电子沉降     

基于AKEBONO哨声波参数的内辐射带高能电子扩散模拟

为能准确地模拟内辐射带中哨声波对高能电子扩散损失的影响,基于内辐射带AKEBONO哨声波参数统计模型,及随纬度分布的背景冷等离子体密度模型,对引起电子扩散损失的大气分子,空间等离子体嘶声、闪电激发的哨声、人工激发的甚低频三类哨声波,利用准线性扩散理论,计算1.4≤ L≤2.0区域的不同能量电子,受到库仑碰撞和波粒回旋共振相互作用的弹跳周期平均赤道投掷角扩散系数,分析不同作用机制、不同类哨声波、不同能量、不同磁壳参数等对辐射带高能电子扩散损失的影响.结果表明：在赤道面损失锥角附近,高能电子主要受到库仑碰撞作用而扩散;在赤道投掷角接近90°附近区域,等离子体嘶声和闪电激发的哨声是引起扩散的主要因素;内辐射带电子主要受到甚低频电磁波波粒回旋共振扩散影响;扩散系数对高能电子能量及其所处磁壳参数比较敏感,通常,高能电子的能量或所处磁壳参数越大,扩散系数越大.     

准线性扩散系数与空间高能电子特征物理量的关系研究

研究已经证实,地面电磁波进入电离层与高能粒子发生波粒相互作用,通过改变其投掷角、动量等发生扩散,导致粒子沉降,进而形成粒子暴.近几十年来,从卫星观测到很多电离层中的粒子暴与地震有关系.本文利用波粒回旋共振耦合理论,结合低轨卫星的观测范围,研究场向电磁波的准线性投掷角扩散系数分布与VLF电磁波频率、带宽、电子能量(0.1—50 MeV)、磁壳层(L=1.1—3)等特征物理量的关系,并研究在某个确定的投掷角条件下,电磁波频率与其所引发的电子沉降对应的最小耦合能量的关系.利用这些物理量之间的关系,为卫星观测的高能粒子沉降事例提供理论解释,为从卫星高能粒子探测中提取与地震相关的信息提供理论支持,也为我国计划2016年底将发射的电磁监测试验卫星的数据分析奠定基础.     

电离层调制加热产生极低频/甚低频波定向辐射的理论分析

通过低电离层调制加热能够产生极低频/甚低频(ELF/VLF)波. 基于调制加热理论, 并引入相控阵天线思想, 建立了通过双波束幅度调制模式(DAM)和圆形几何调制模式(CGM)产生ELF/VLF波的定向辐射模型, 并通过与实验数据的对比验证了模型的正确性. 据此模型, 采用HARRP加热阵参数, 对比分析了上述两种定向辐射模式与常规幅度调制模式(AM)之间的特性差异, 并研究了调制频率(f_ELF/VLF)和加热波束与垂直方向倾角(ψ)对各模式的影响. 结果表明: 相对AM模式, 通过合理设置初始相位、f_ELF/VLF和ψ, DAM 模式和CGM模式在实现ELF/VLF信号定向辐射的同时还可以提高其辐射强度, 相对AM模式, CGM模式信号强度最大提高约11.3 dB. 关键词： 定向辐射 双波束幅度调制 圆形几何调制     

高空核爆炸注入辐射带电子的大气扩散损失

利用辐射带电子大气倾角扩散的福克-普朗克方程,通过推导与拟合处理扩散系数表征式,构造二阶精度有限差分格式,给出辐射带捕获电子大气扩散损失的数值计算方法.计算高空核爆炸裂变β谱电子注入辐射带后在不同L壳上的通量损失和能谱变化,结果表明,当L < 1.3时,大气作用引起的扩散损失效应明显,低能电子比高能电子消失要快,电子通量初始阶段衰减很快,随后逐渐近似成时间指数函数形式衰减.     

磁性隧道结中的量子相干输运研究

采用散射矩阵的方法研究了铁磁/绝缘层/半导体/绝缘层/铁磁(FM/I/SM/I/FM)磁性双隧道结的量子相干输运特性.研究发现当隧穿电子平均自由程(l_p)和中间层半导体厚度(L)可比拟时双结隧道磁阻(TMR)将随L的变化产生量子振荡,当l_p远大于L时振荡拐点处出现cut-off波矢,分析表明cut-off波矢主要是来自于隧道结两边的铁磁和半导体层隧穿电子动量波矢的高度不匹配性,随着L关键词： cut-off 波矢 量子相干 振荡 隧道磁阻     

Perturbations of ionosphere-magnetosphere coupling by powerful VLF emissions from ground-based transmitters

The characteristics of the plasma-wave disturbances stimulated in the near-Earth plasma by powerful VLF radiation from ground-based transmitters are investigated. Radio communication VLF transmitters of about 1 MW in power are shown to produce artificial plasma-wave channels (density ducts) in the near-Earth space that originate in the lower ionosphere above the disturbing emission source and extend through the entire ionosphere and magnetosphere of the Earth along the magnetic field lines. Measurements with the onboard equipment of the DEMETER satellite have revealed that under the action of emission from the NWC transmitter, which is one of the most powerful VLF radio transmitters, the generation of quasi-electrostatic (plasma) waves is observed on most of the satellite trajectory along the disturbed magnetic flux tube. This may probably be indicative of stimulated emission of a magnetospheric maser.     

Characteristics of nighttime VLF/ELF emissions with frequency drift and estimation of the large-scale electric field from the frequency drift observed at a low latitude Indian ground station, Jammu

Characteristics of nighttime VLF/ELF emissions are examined on the basis of the data obtained at our low latitude ground station Jammu (geomagnetic latitude, 22°26′ N; L = 1.17), India during our VLF/ELF campaign. From the detailed analysis of a huge amount of acquired VLF/ELF data at Jammu we have found three remarkable events which clearly exhibit a rise in their frequency in pre and past midnight sectors during magnetically quiet and substorm periods. Our analysis shows that the frequency drift in VLF/ELF emissions seems to be a rare phenomenon at low latitudes during magnetically quiet and substorm periods in pre and post midnight sectors. This property of temporal frequency drift (regular frequency increases with time) in VLF/ELF emissions observed at our station Jammu are interpreted in terms of a quasi-linear electron cyclotron instability model for wave excitation. The initial frequency increase is believed to be due to a combind effect of L-shell drift of energetic electrons. Further, the frequency drifts in VLF/ELF emissions observed at Jammu have been used to estimate the large scale electric field during quiet and substorm periods in pre and post midnight sectors. This investigation would be most useful for the study of the wave-particle interaction processes, magnetospheric plasma structure and particle dynamics, especially during quiet periods in premidnight sector at low latitudes.     

Simulation of Resonant Interaction between Energetic Electrons and Whistler-Mode Chorus in the Outer Radiation Belt

We construct a realistic model to evaluate the chorus wave-particle interaction in the outer radiation belt L = 4.5. This model incorporates a plasmatrough number density model, a field-aligned density model and a realistic wave power and frequency model. We solve the 2D bounce-averaged momentum-pitch-angle Fokker-Planck equation and show that the Whistler-mode chorus can be effective in the acceleration of electrons, and enhance the phase space density for energies of -1 MeV by a factor from 10 to 10^3 in about two days, consistent with the observation. We also demonstrate that ignorance of the electron number density variation along field line and magnetic local time in the previous work yields an overestimate of energetic electron phase space density by a factor 5-10 at large pitch-angle after two days, suggesting that a realistic plasma density model is very important to evaluate the evolution of energetic electrons in the outer radiation belt.