基于CASSINI卫星观测的土星辐射带粒子动力学过程研究

Based on the CASSINI's long-term and high-resolution data (magnetic field, electric filed, wave, particle) in the Saturn's radiation belts, we will study the dynamical process of energetic particles and corresponding nonlinear effects in the Saturn's radiation belts. We will discuss the properties of energetic particles, especially for the higher energy paritcles (>1MeV), the partilce transport, acceleration and loss process, and the influences from Saturn's moons and rings in different interplanetary magnetic field conditions. We will also investigate the propagation of whistler-mode chorus waves near the magnetic equator and off the magnetic equator, the effects of chorus in energetic electron pitch-angle scattering, and the influence on particle accelerations. Futhermore, by taking into account the nonlinear theory, we will study the significance of nonlinear effects in the manchanism of changing the rate of particle acceleration. We deeply discuss present model of the Saturn's raidation belt with the Earth's radiation belt model, and the relationship with plasma injection in Saturn's inner magnetosphere.

利用CASSINI探测器对土星辐射带长期观测的高精度粒子波动电场磁场数据，引入非线性理论，针对土星辐射带区域能量粒子动力学过程和相关的非线性效应进行研究。我们将结合不同的行星际条件，研究能量粒子特性，尤其是高能粒子（>1MeV），粒子加速和损失机制，土星众多卫星和土星环对辐射带粒子传输的影响；对Whistler mode chorus wave的观测做细致的事件分析和统计，研究chorus在磁赤道附近以及偏离磁赤道之后都是如何传播的，具体机制是什么，chorus波在电子俯仰角散射中的作用，对粒子加速的影响等；引入非线性理论，讨论非线性效应在chorus 波粒子加速机制中的重要性；深入研究土星辐射带能量粒子模型，与磁层粒子注入事件的相关性。

在本研究中，（1）我们对土星探测卫星Cassini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，获得了土星中高能电子通量的统计分析结果，以及哨声模合声的非线性特征统计结果。（2）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，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。（3）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。（4）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。（5）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。