快磁声波驱动的辐射带高能粒子动力学演化机制

Fast magnetosonic (also named ion Bernstein) waves, propagating almost perpendicularly to the ambient magnetic field, are present at multiples of the proton gyrofrequency up to the lower hybrid resonance frequency. Recent studies have demonstrated that fast magnetosonic waves (MS) can efficiently affect the dynamics of outer radiation belt energetic particles，buts still requiring in-depth quantitative investigations. In this proposal, we intend to incorporate data treatment,theoretical analysis and numerical simulation. We shall focus on propagation, instability and spatial distribution of MS waves. We plan to present a systematic analysis on gyroresonant interaction between MS waves and energetic particles, solve the Fokker-Planck diffusion equation and finally obtain the energy and pitch-angle scattering processes of energetic particles induced by MS waves.

快磁声（又称离子Bernstein）波，指的是其频率处于质子回旋频率倍数与低混杂频率之间的电磁波，且几乎沿垂直于背景磁场方向传播。目前研究表明，快磁声波能有效影响辐射带高能粒子的动力学演化过程，但这种影响机制还处于初步定性描述。本项申请主要是整合观测数据，理论分析和数值模拟，着重研究快磁声波的传播特性，不稳定过程以及空间分布；系统分析快磁声波与高能粒子的回旋共振作用特征；具体求解Fokker-Planck 动力学方程，深入研究快磁声波驱动的辐射带高能粒子能量扩散和投掷角扩散过程．

整合数据处理，理论分析和数值模拟，研究了辐射带中快磁声波等波模的激发过程与不稳定性特征，以及产生的高能粒子动力学演化过程。研究表明：快磁声波由能量为10 keV左右的环分布特征质子激发，其能在等离子层内外以及不同磁地方时区域传播，且主要存在于赤道附近。而高频极区千米波辐射能一直传播到赤道区域．通过求解控制波粒相互作用的二维扩散方程，发现快磁声波即能有效加速辐射带高能电子，产生相对论电子反常蝴蝶型分布，又能导致能量质子扩散损失到大气层，产生质子极光。同时进行了观测数据与数值模拟的系统研究，数值模拟结果重现了快磁声波等波模产生的辐射带高能粒子的演化过程，这些数据分析与数值模拟的结合研究有助于建立快磁声波驱动的辐射带粒子演化动态模型。