地球磁层能量粒子动力学研究.doc

论文中英文摘要 作者姓名：周煦之 论文题目：地球磁层能量粒子动力学研究 作者简介：周煦之，男，1981年12月生于福建省周宁县，1997年9月考入北京大学地球物理系，2001年7月本科毕业并获得理学学士学位。同年9月保送进入北京大学地球与空间科学学院空间物理与应用技术研究所攻读硕士学位，师从濮祖荫教授和宗秋刚教授。2003年9月转为硕博连读，并于2008年1月获博士学位。在攻读博士学位期间，曾于2004年7月至2005年1月间及2006年11月至2007年10月间分别赴美国波士顿大学及马萨诸塞大学罗威尔分校进行过两次访问研究。 中 文 摘 要 能量粒子通常是指能量范围大约为1keV至数MeV之间的带电粒子，包括质子及其他离子和电子。自从Van Allen于半个世纪前发现辐射带以来，地球空间中的能量粒子就引起了广泛的兴趣。人们发现，能量粒子存在于磁层各个区域及其边界层内。尽管在磁层中，这些能量粒子的数密度通常小于低能等离子体，但它们却是地球磁层中一系列空间天气现象，如极光、磁层亚暴、磁暴、高能电子暴和磁层大振幅波动等出现的主要原因，是太阳风-磁层-电离层能量耦合与传输过程中的重要因素。来源、耗散及加速机制。近年来，围绕着这些机制的研究出现了诸多的争议，例如：关于超低频波与甚低频波对内磁层能量粒子快速加速的相对重要性的争论，关于极尖区作为太阳风（磁鞘）粒子和磁层之间的窗口，其能量粒子的来源和注入机制的争论，关于行星际磁场北向时稠密而较冷的等离子体片形成机制的争论，以及关于如何判断磁层顶磁通量管管轴方向，以便深入研究太阳风与磁层交换能量粒子途径的讨论等。磁层结构和磁层能量粒子的特征，继而对寝渐不变量理论做了简要的介绍，接着从理论、观测及模拟等各方面分析了磁层各区域中能量粒子的起源和加速机制问题，并对近年来在地球磁层能量粒子研究中所出现的一系列争论做了详细评述。超低频波与能量粒子共振相互作用进行了观测研究。迄今为止，前人的工作主要基于理论，即认为超低频波所携带的电场可以对作磁场梯度/曲率漂移的带电粒子加速或减速。当该粒子的漂移频率与波的频率满足特定关系时，波的电场可以始终同粒子的漂移速度保持同一方向，从而使其获得稳定的增能。从寝渐不变量理论的角度看，这种能量的改变来自于超低频波对粒子第三寝渐不变量守恒条件的破坏。我们利用并利用了其多卫星同时观测的特点，对超低频波与能量粒子共振的理论进行了检验和讨论。我们指出，极向模和环向模对应能量的不同，使得磁尾等离子体片中的粒子可以通过与不同超低频波的共振逐步加速，从而为辐射带区域中能量粒子的起源与加速提供了一条新的有效途径。由于环向模超低频波同粒子的相互作用仅在地球磁层受到较强压缩时方能有效，太阳风动压强的增加，特别是行星际激波对地球磁层的撞击，将大大促进能量较高的粒子在磁层中的进一步加速过程。这部分工作发表后引起了广泛的关注：欧洲空间局的官方网站（）曾将其作为）2007年度最重要的100项科学发现之一，列第37位。第三章中，我们将寝渐不变量理论应用于极尖区，首次提出了极尖区磁场极小值面的概念，揭示了太阳风和磁层通过极尖区交换能量粒子的动力学过程。迄今前人的工作主要基于拉威尔喷管的概念，应用空气动力学的方法描述了磁鞘粒子可以通过极尖区注入等离子体幔。也有人提出极尖区可以成为能量粒子的一个稳定捕获区极尖区磁场极小值面的概念，并在此基础上讨论了其对极尖区粒子的捕获作用。我们指出，极尖区粒子的运动也可归结为回旋、弹跳和漂移三种形式的叠加。在寝渐不变量守恒条件被破坏的情况下，它们也可以通过弹跳损失椎或漂移损失椎逃逸。这样，来自太阳风的带电粒子可以通过这一机制进入极尖区，并进而进入磁层；而磁层内部的能量粒子也可以通过同样的机制经极尖区进入磁鞘。由于极尖区的电磁场扰动较大，粒子的寝渐不变量守恒条件较容易被破坏，因此很多时候能量粒子将经历非绝热运动，并获得增能。我们的论文揭示了极尖区能量粒子的运动特性，深入讨论了磁鞘和磁层通过极尖区的粒子交换机制，进一步完善了太阳风粒子经极尖区注入磁层这一过程的理论解释。中，我们提出了一个太阳风粒子直接穿越磁层顶进入等离子体片的新机制。我们深入分析了能量粒子在晨昏两侧磁层顶中的运动特征，发现尽管传统的三个寝渐不变量均不能维持守恒，在此处仍然存在一个特殊的寝渐不变量。通过对该不变量守恒性的应用，我们讨论了来自磁鞘中的能量粒子通过磁层顶进入磁层的条件。我们发现，当行星际磁场南向时，在赤道面磁层顶存在着一个临界能量，只有能量高于该临界能量的粒子可以穿越磁层顶进入磁层，而能量较低的粒子将被磁层顶捕获。另一方面，当行星际磁场北向时，该临界能量效应消失，从而更多的磁鞘粒子可以进入磁层。这是一种此前从未被讨论过的新机制。其重要性在于，尽管目前已提出了高纬尾瓣磁重联和磁层顶侧面