真实地磁场下地球空间等离子体波的统计分析及其对磁层辐射带电子扩散效应的数值模拟

This research is proposed to adopt in-situ multi-satellite data to investigate a number of key issues of the electron dynamics in the inner magnetosphere, including the global distribution of space plasma waves, the effects of resonant wave-particle interactions, and the timescales of acceleration and loss of radiation belt energetic electorns. By carefully considering the distortion and deviation from a dipole approximation of the background magnetic field, this study tends to establish a multi-dimensional dynamic model of magnetospheric electrons in the realistic magnetic field configuration to pursue improved understanding of the evolution of the Earth's electron radiation belts during geomagnetic storms.This project can be important to the quantification of the effects of resonant wave-particle interactions under different geomagnetic conditions and the prediction efforts of space weather as well. By developing advanced model (code) for quasi-linear diffusion coefficients of resonant wave-particle interactions and performing numerical diffusion simulations in the realistic ambient magnetic fields, it is expected to reconstruct the temporal and spatial varations of radiation belt energy electron fluxes (or phase space density) in a more reliable and reasonable way. Along with the coming of the next solar maximum, this study can be a useful aid to help the design and the protection of next-generation space probes and onboard payloads.

本项目以分析CRRES、THEMIS等卫星数据为基础，以揭示严重影响近地空间天气的辐射带能量电子生成、输运及损失过程的规律与机理为科学目标，开展多卫星资料分析、理论研究和模式探索，研究内磁层能量电子动力学过程的关键问题，如空间等离子体波全球分布，共振波粒相互作用效应，能量电子输运、加速及损失扩散系数及时间尺度，建立并完善多维动力学模型，进而揭示实际地磁场下地球辐射带随地磁活动的演变。本项目对认识不同地磁活动条件下内磁层共振波粒相互作用过程和提高空间天气预报能力有重要意义。本项目拟进一步发展国际领先的准线性粒子扩散系数模型并建立在实际地磁场条件下多维Fokker-Planck扩散模型，更真实地再现实际情况下辐射带能量电子的时空演变规律。随着下一个太阳活动高峰年的到来，本项目将为我国下一代空间探测器及有效载荷的设计及防护提供有益的理论支持和模型建议。

地球磁层辐射带中充满着大量的高能电子，大部分能量为~100keV 到几个MeV，这就是众所周知的“相对论电子”，也称为“杀手电子”。一方面，内辐射带相对论电子的生存周期非常长，能持续对空间系统，尤其是中低轨卫星、太空站产生不利影响；另一方面，地磁活动的增强可使外辐射带的相对论电子通量增长达到10倍甚至是数十倍以上，这将给运行于其中的同步地球轨道卫星、GPS 导航卫星以及其他航天器带来潜在的重大威胁甚至使之损毁。辐射带高能电子的损失沉降也会对电离层和大气层的电特性和化学过程产生显著作用。.主要研究内容包括：(1). 研究在不同太阳风扰动条件下或不同地磁活动水平下等离子体波强度及频谱分布特性；(2). 发展计算空间等离子体波对磁层能量电子的准线性共振散射系数的一般化模型，使其适用于更普遍的地球背景磁场空间分布；(3). 系统分析不同空间等离子体波准线性弹跳平均扩散系数随L-shell，MLT 以及地磁活动水平的变化规律；(4). 研究在实际地磁场背景下辐射带能量电子分布的时空演变规律。.重要研究结果包括：(1). 建立了基于多卫星波动数据的空间等离子体波统计模型，包括chorus，hiss, MS waves和ECH波；(2). 建立了基于多卫星粒子数据的地球辐射带电子分布统计模型，研究了辐射带电子针对太阳风动压事件的动态响应特征；(3). 具体量化了基于波粒相互作用的多种空间等离子体波对磁层带电粒子的散射效应，包括EMIC波，磁声波，人工激发ELF/VLF信号，哨声波合声，ECH波；(4). 发展了一种充分利用低高度卫星簇群电子数据反演地球空间哨声波合声的全球分布的新方法并加以运用；(5). 对第23太阳活动周期(1996-2008)的太阳风与地磁数据进行了详细的统计分析。.本项目取得的学术成果，一方面有助于深入理解太阳活动及太阳风扰动显著影响地球磁层形态、磁尾粒子注入及地向输运、磁暴及亚暴活动、等离子体波触发与增强，进而决定内磁层高能电子变化过程，另一方面全面认知地球辐射带高能电子动力学特征与太阳风扰动及地磁活动的关联性将有助于透过现象看本质，将近地空间辐射带扰动与太阳活动更细致地联系起来，为更好地模拟近地空间粒子与波动环境并尝试建立基于太阳活动与地磁参数的空间天气预报提供有力基础，将为我国下一代空间探间探测器及有效载荷的设计及及防护提供有益的理论支持和模型建议。