带电粒子在地磁场中的运动及Mathematica数值模拟

基于单粒子轨道模型和地磁场偶极子模型，考虑相对论效应，对近地球区域磁场中运动的带电粒子轨迹使用Mathematica软件中六阶龙格—库塔算法进行数值计算和模拟，并对极光现象的产生进行了解释，同时讨论了带电粒子在地磁场中运动的引导中心近似.结果表明：1)从地球北极方向观察，被地球磁场捕获的质子沿顺时针方向漂移，电子沿逆时针方向漂移；2)粒子各个分运动的运动周期数值模拟结果与文献中理论值非常吻合；3)从(4R_e,0,0)入射的粒子投掷角小于7.38°时，带电粒子将会与地球表面大气层碰撞而沉降，存在产生极光现象的可能.大于7.38°时，粒子将会被束缚在地磁场中，形成辐射带；4)其他条件相同时，带电粒子投掷点距离地球越远，其漂移速度越大；投掷角越大，其漂移速度也越大；5)对于能量较低的粒子，一阶近似下引导中心轨迹能很好地代表粒子实际运动轨迹.