内磁层区域重要波动的非线性特性研究

Inner magnetosphere is one of the important regions for the near-earth space environment. The wave-particle interaction of some typical waves in the inner magnetosphere and corresponding dynamical process are hot topics in recent years, which will significantly improve the understandings of the energy and particle transport, acceleration and loss processes. Omura et al. have presented the nonlinear wave growth theory of whistler mode chorus waves, EMIC waves and Hiss observed in the inner magnetosphere. However, the observations of nonlinear properties of these waves have not been fully investigated. The detailed evolution from linear to nonlinear phase and the excitation conditions and parameter influence on nonlinear wave growth theory have not been clearly observed. It is also important to understand the global distributions and the generation regions of nonlinear properties of these waves. In this study, based on the latest nonlinear theory and satellite observations (THEMIS, Van Allen Probes, MMS), we will study linear-nonlinear mechanisms of three typical waves (whistler mode chorus waves, EMIC, Hiss) and corresponding dynamical process in the inner magnetosphere. By combining with international corporations and computer simulations, we will study the nonlinear effect of wave-particle interactions and local particle acceleration and loss, which will significantly supplement the results using quasi-linear theory.

内磁层是近地空间环境主要区域之一，对该区域中各种重要波动的波粒相互作用和相关动力学过程也是当前的研究热点，可以深入理解能量和粒子传输、加速和流失过程。Omura等提出了基于哨声模合波、EMIC波和HISS激发的非线性增长理论，但是对于这些波动的非线性特征观测，还不够详细，特别是从观测上对线性到非线性的演化过程、非线性增长激发条件和外部参数影响、这些波动非线性特征的全球性分布特性，在哪些区域中作用更明显等还不清楚。本项目主要是结合最新的非线性增长理论，通过磁层多点探测卫星（THEMIS、Van Allen Probes、MMS)，深入研究非线性效应对三种重要波动（Chorus、EMIC、HISS）动力学过程的影响，结合国际合作和计算机模拟，探讨非线性特性对内磁层粒子加速和损失机制的贡献，对准线性理论是有力的对比和补充，具有重要研究意义。

在本研究中，（1）我们对Van Allen Probes和MMS的观测数据进行挑选和分析，我们在甄别一些细微事件的背景条件，对于哨声模合声波的非线性激发过程深入计算分析，发现合声波的非线性激发在某种程度上收到准线性理论的影响，并且在（热电子密度、温度各向异性）参数空间中表征出一定的边界效应，对于准线性理论是否影响并部分决定了非线性激发过程，在地球内磁层和土星背景磁场、磁场曲率和热等离子体密度等参数如何影响非线性激发正在深入研究，取得了一定成果。（2）利用MMS卫星的高精度数据，主要对磁重联区电子动力学过程进行了大量深入研究，首次在观测中发现了在磁场重联的电子耗散区附近，发现了电子流Kelven-Helmholtz不稳定性诱发电子涡旋从而产生亚离子尺度的次级磁岛结构的确切观测证据，揭示了次级磁岛在重联中的重要作用以及对磁场重联中小尺度电子动力学过程的重要性。（3）利用现有针对空间等离子体数值模拟和数据分析的手段，对大规模无线传感器网络在空间探测等应用方向上的传感器网络分布算法优化，在基于等离子体结晶模型的虚拟力算法中，对汤川势中的德拜长度参数进行了讨论，发现它会对传感网络拓扑结构、均匀性和移动距离产生影响。我们还提出了一种基于传感器节点间交换力虚拟模型的优化算法，给出了最佳参数空间的估计，本成果对未来深空探测和深海探测具有重要的应用价值和前景。（4）建设了南昌大学高性能计算机集群平台，与浪潮集团合作成立了南昌大学-浪潮集团联合共建高性能计算中心，对空天地一体化海量数据处理和空间数据可视化研究打下基础。同时，深入研究了全粒子模拟算法在高性能异构计算平台上的GPU、MIC优化，全面比较了优化性能和加速比，为后续数值模拟研究的深入奠定了基础。